Решение параболического уравнения дифракции при радиопросвечивании ионосферных слоев

Аннотация

На основе прямого моделирования поля радиоволн, зондирующих ионосферу, методом численного решения параболического уравнения дифракции исследованы вариации мощности и частоты сигнала, регистрируемого спутником Венеры вдоль траектории движения. Проанализированы условия появления дифракционных искажений поля и возможность применения геометрической оптики при интерпретации данных зондирования тонких периодических слоев плазмы в ионосфере. Выполнена валидация метода обработки данных радиозатмений спутников ВЕНЕРА-15,-16 и показана достоверность многослойных структур на профилях электронной концентрации в нижней ионосфере Венеры.

• распространение радиоволн
• радиозондирование ионосферы

Abstract (in English)

Direct modelling of the electromagnetic field in an occultation experiment, obtained from a numeric solution of the parabolic diffraction equation, was used to investigate power and frequency variations of the signal received by a satellite as it moves on orbit around Venus. Conditions under which diffraction distortions affected the field as well as applicability of geometric optics for the interpretation of layered structure in lower ionosphere visible in actual data was analyzed. Processing method used for Venus-15 and -16 occultation data was validated and existence of multilayer structures on electronic concentration profiles in lower ionosphere was confirmed.

Для цитирования

Литература

1. Lusignan B., Modrell G., Morrison A. et al. Sensing the Earth’s atmosphere with occultation satellites//Proc. IEEE. 1969. V. 57. N 4. P. 458.
2. Rangaswamy S. Recovery of atmospheric parameters from the Apollo/Soyuz-ATS-F radio occultation data//Geophys. Res. Letters. 1976. V. 3. N. 8. P. 483.
3. Liu A.S. On the determination and investigation of the terrestrial ionospheric refractive indices using Geos-3/ATS-6 satellite-to-satellite traking data//Radio Sci. 1978. V. 13. N 4. P. 709.
4. D.D. Feng, B.M. Herman. Remotely Sensing the Earth’s Atmosphere Using the Global Positioning System (GPS)-The GPS/MET Data Analysis//Journal of atmospheric and oceanic technology, 16, 989 (1999).
5. Kursinski E.R., Hajj G.A., Schofield J.T., Linfield R.P., Hardy K.R. Observing Earth’s atmosphere with radio occultation measurements using the global positioning system//Journal of Geophysical Research. 1997. V. 102. D19. P. 23429-23465. doi:10.1029/97JD01569.
6. Kliore A., Gain D.L., Levy S. et al. Occultation experiments results of the first direct measurements of Mars atmosphere and ionosphere//Science. 1965. V. 149. № 3689. P. 1243-1250.
7. Kliore A.J., Levy G.S., Cain D.L., Fjeldbo, G., and Rasool, S.I. Atmosphere and ionosphere of Venus from the Mariner 5 S-band radio occultation measurements//Science. 1967. V. 158. № 3809. P.1683-1688.
8. Tyler. G. L. Radio propagation experiments in the outer solar system with Voyager//Proc. IEEE. 1987. V. 75. P. 1404-1431.
9. Brace L.H., Kliore A.J. The structure of the Venus ionosphere//Space Science Reviews. 1991. V. 55. Jan.-Feb. P. 81-163.
10. Jenkins, J.M., P.G. Steffes, D.P. Hinson, J. Twicken and G.L. Tyler. Radio occultation studies of the Venus atmosphere with the Magellan spacecraft: 2. Results from the October 1991 experiments//Icarus. 1994. V. 110. P. 79-94.
11. Арманд Н.А., Гуляев Ю.В., Гаврик А.Л., Ефимов А.И., Матюгов С.С., Павельев А.Г., Савич Н.А., Самознаев Л.Н., Смирнов В.М., Яковлев О.И. Результаты исследований солнечного ветра и ионосфер планет радиофизическими методами//Успехи физических наук. 2010. Т. 180. № 5. С. 542-548. URL: http://ufn.ru/ufn10/ufn10_5/Russian/r105j.pdf
12. M. Pätzold, S. Tellmann, B. Häusler, M. K. Bird, G. L. Tyler, A. A. Christou, P. Withers. A sporadic layer in the Venus lower ionosphere of meteoric origin//Geophysical research letters. 2009. V. 36. L05203.
13. Савич Н.А., Алтунин В.И., Андреев В.Е., Басос Ю.Ф., Богуславская Н.-Е.Е., Вышлов А.С., Гаврик А.Л., Дорощук О.Н., Кручкович М.М., Лясковская В.И., Молотов Е.П., Морской И.М., Набатов А.С., Овсянникова М.А., Селезнев В.В., Суханов К.Г., Шевердяев А.С. Двухчастотное радиозондирование кометы Галлея при пролете космических аппаратов Вега-1 и Вега-2//Письма в Астрономический журнал. 1986. Т. 12. № 9. С. 675-682.
14. Pätzold M., Neubauer F.M., Andreev V.E., Gavrik A.L. Detection of the inner plasma pile-up region at comet Halley during the VEGA-1 flyby by the radio sounding experiment//Journal of Geophysical Research. 1997. V. 102. № A2. Р. 2213-2222. URL: http://www.agu.org/pubs/crossref/1997/96JA03140.shtml
15. Гаврик А.Л., Вышлов А.С., Дорощук О.Н., Конофалов В.П., Лаптев Н.В., Набатов А.С., Осмоловский И.К., Савич Н.А. Измерение вариаций интегральной электронной концентрации на трассах связи со станциями "Венера-13" и "Венера-14"//Космические исследования. 1983. Т. 21. № 3. С. 445-448.
16. Савич Н.А., Азарх С.Л., Вышлов А.С., Гаврик А.Л., Лаптев Н.В., Набатов А.С. Флуктуации частоты когерентных радиосигналов в околосолнечной плазме по данным аппаратов "Венера-15,16"//Космические исследования. 1987. Т. 25. № 2. С. 243-250.
17. А.Л. Гаврик, Ю.А. Гаврик, Л.Н. Самознаев. Неоднородная структура дневной ионосферы Венеры по данным радиопросвечивания при помощи станций Венера-15,-16//Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53. № 9. С. 1104-1111.
18. Gavrik A.L., Pavelyev A.G., Gavrik Yu.A. Detection of ionospheric layers in the Daytime Ionosphere of Venus at Altitudes of 80-120 km from VENERA-15 and -16 Two-Frequency Radio-Occultation Results//Geomagnetism and Aeronomy. 2009. V. 49. № 8. P. 1223-1225.
19. Гаврик А.Л., Гаврик Ю.А., Копнина Т.Ф., Самознаев Л.Н. Вариации амплитуд и частот когерентных радиосигналов при просвечивании дневной ионосферы Венеры//Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55. № 3. С. 277-284.
20. Илюшин Я.А., Гаврик А.Л., Гаврик Ю. А., Копнина Т. Ф. Моделирование радиозатменного эксперимента методом численного решения параболического уравнения дифракции//Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2012. № 3. С. 6-6. URL: http://jre.cplire.ru/jre/mar12/6/text.pdf
21. Ilyushin Ya.A., Gavrik, A.L. Simulation of the Venus ionospheric radio occultation experiment with the parabolic diffraction equation/3th Moscow Solar System Symposium (3MS3). Moscow. Russia. 2012. P. 3MS3-PS-36. abst 210. URL: http://ms2012.cosmos.ru/sites/ms2012.cosmos.ru/files/3m-s3-abstracts.pdf
22. Савич Н.А., Андреев В.Е., Вышлов А.С., Гаврик А.Л., Климов В.В., Конофалов В.П., Лаптев Н.В., Мармулев В.А., Местэртон А.П., Набатов А.С., Осмоловский И.К., Самознаев Л.Н., Штерн Д.Я. Полярная ионосфера Венеры вблизи терминатора планеты по радиозатменным данным спутников "Венера-15,16"//Космические исследования. 1986. Т. 24. № 3. С. 448-454.
23. Гаврик А.Л., Самознаев Л.Н. Особенности дневной ионосферы Венеры в годы низкой и высокой активности Солнца//Космические исследования. 1987. Т. 25. № 2. С. 285-291.
24. Гаврик А.Л., Самознаев Л.Н. Анализ ошибок результатов радиопросвечивания дневной ионосферы Венеры, обусловленных ее несферичностью//Космические исследования. 1985. Т. 23. № 1. С. 148-157.
25. Karayel, T.E., Hinson, D.P. Sub-fresnel scale resolution in atmospheric profiles from radio occultation//Radio Science. 1997. V. 32. P. 411-423.
26. Gorbunov, M.E., Kirchengast, G. Processing X/K band radio occultation data in the presence of turbulence//Radio Science. 2005. V. 40. P. RS6001.
27. Ilyushin Ya.A. Fluctuations of the GPS signals on the tangential paths in the lower terrestrial atmosphere: influence of the small-scale structure//Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2008. V. 70. P. 1863-1869.
28. Илюшин Я.А., Захаров В.И. Влияние нерегулярных структур нижней атмосферы на распространение сигналов глобальных спутниковых радионавигационных систем//Радиотехника. 2009. № 3. С.84-91.
29. Рихтмайер Р., Мортон К. Разностные методы решения краевых задач. -М.: Мир, 1972. -418 c.
30. Baskakov V.A., Popov A.V. Implementation of transparent boundaries for numerical solution of the Schroedinger equation.//Wave Motion. 1991. V. 14. P. 123-128
31. A.L. Gavrik, Yu.A. Gavrik, P. Withers, S. Joy. Venera 15 and 16 Radio Occultation Ionospheric Electron Density Profiles.//NASA Planetary Data System. 2010. Version 1.0, V15/V16-V-ROE-5-OCC-ELECTRON-DENS-V1.0. URL: http://ppi.pds.nasa.gov/search/view/?f=yes&id=pds://PPI/VROE_2001/CATALOG
32. Gavrik A.L., Gavrik Yu.A., Kopnina T.F., Kuleshov E.A. Oscillation of radio signal parameters near the lower boundary of the Venus ionosphere./The third Moscow Solar System Symposium (3MS3). Moscow. Russia. Space Research Institute. 2012. P. 3MS3-PS-34. abst 208. URL: http://ms2012.cosmos.ru/sites/ms2012.cosmos.ru/files/3m-s3-abstracts.pdf
33. А.Л. Гаврик, Ю.А. Гаврик, Т.Ф. Копнина, Е.А. Кулешов. Осцилляции вблизи нижней границы ионосферы Венеры по радиозатменным данным спутников "Венера-15",-16"//Радиотехника и электроника. 2013. Т. 58. № 10. С. 1013-1024.
34. Гаврик А.Л. Использование радиосигнала L диапазона в экспериментах двухчастотного радиопросвечивания//Журнал радиоэлектроники. 2011. № 8. С. 2-2. URL: http://jre.cplire.ru/jre/aug11/1/text.pdf
35. Гаврик А.Л., Гаврик Ю.А., Копнина Т.Ф. О возможности увеличения чувствительности метода радиопросвечивания//Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2011. № 5. С. 3-3. URL: http://jre.cplire.ru/jre/may11/3/text.pdf
36. Gavrik A.L., Ivanov-Kholodny G.S., Mikhailov A.V., Savich N.A., Samoznaev L.N. The formation of the daytime Venusian ionosphere: the results of dual-frequency occultation experiments//Space Research. 1980. V. 20. P. 231-235.
37. Gavrik A.L., Savich N.A., Samoznaev L.N. The analysis of diffusion processes in the daytime ionosphere of Venus resting on the "Venera-9,-10" radio occultation data/Proceedings of the thirteenth international symposium on space technology and science. Japan. Tokyo. 1982. P. 1551-1555.