Software & Systems

Диагностика состояния ионосферы необходима для решения различных прикладных задач. Она особенно важна в связи с развитием наземных и спутниковых телекоммуникационных систем, поскольку через нее проходят радиосигналы, обеспечивающие связь между космическими аппаратами (КА), управление ими и навигацию, передачу данных с борта КА [1–3].

Соответственно, без знания состояния ионосферы невозможно внесение соответствующих поправок или рекомендаций при функционировании КА.

Знание состояния ионосферы дополнительно может обеспечить информацию о наличии возмущений геофизического и геологического характера, например, о процессах подготовки землетрясений, извержений вулканов [4].

Для диагностики состояния ионосферы используются различные методы измерений, как наземные, так и с привлечением различной бортовой аппаратуры КА. Обзоры различных методов диагностики ионосферы рассматриваются в работах [1, 5, 6]. Одним из методов диагностики состояния ионосферы является использование сигналов сверхдлинноволновых (СДВ) радиопередатчиков.

Низкочастотные волны, распространяющиеся в околоземной плазме, в последние десятилетия представляют значительный интерес в связи с разнообразными научными и техническими приложениями. В научных экспериментах, проводимых в настоящее время и планируемых в ближайшем будущем, особое внимание уделяется динамике радиоволн очень низких частот (ОНЧ) и их воздействию на плазму ионосферы и магнитосферы, в результате чего был разработан ГОСТ Р 25645.162-95 «Антропогенное низкочастотное волновое воздействие на ионосферу и магнитосферу Земли».

ОНЧ-радиоволны, излучаемые передатчиком, распространяются в волноводе «Земля–ионосфе­ра», то есть в области, ограниченной земной поверхностью и ионосферой. Волновод, находящийся на освещенной стороне Земли, подвержен влиянию внезапных ионосферных возмущений (ВИВ). ВИВ обусловлены воздействием солнечных вспышек, излучение которых приводит к увеличению ионизации в нижней ионосфере (D-слой) и, как следствие, к существенному поглощению радиоволн коротковолнового (КВ) диапазона. При этом длительность КВ-затухания может составлять от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от мощности солнечной вспышки.

В настоящей статье рассматривается созданный аппаратно-программный комплекс (АПК) диагностики ионосферы по характеристикам сигналов СДВ-радиопередатчиков, работающих в диапазоне ОНЧ.

Разработанный АПК состоит из антенны, усилителя, приемника, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и ПЭВМ. Структурная схема комплекса приведена на рисунке.

Источником ОНЧ-сигналов является сеть СДВ-радиопередатчиков, работающих в диапазоне частот 10…50 кГц. ОНЧ-сигналы, принятые на активную электрическую антенну, усиливаются и поступают на вход приемника. В качестве АЦП используется звуковая карта с частотой дискретизации не менее 96 кГц. При этом звуковая карта может быть как внешней, так и внутренней, встроенной в ПЭВМ. Оцифровка сигнала происходит каждые 5 секунд. Соответственно высота отражения сигнала и степень его поглощения (затухания) ионосферой определяются различными гелиогеофизическими факторами, что проявляется в характеристиках принимаемого сигнала.

Экспериментально установлено, что среднесуточный объем данных по наблюдениям сигналов от ~25 постоянно работающих СДВ-радиопередат­чиков мировой сети может составить несколько сотен мегабайт, что обусловливает необходимость применения современных информационных технологий для сбора и обработки результатов наблюдения. Записанные данные представляют собой текстовые файлы формата CSV (Comma-Sepa­rated Values).

Для обработки данных СДВ-радиосигналов разработано ПО, обеспечивающее

–      корректировку конфигурационного файла с добавлением новых частот для диагностики возможного расширения спектра;

–      селекцию данных по частотам;

–      слияние в один файл данных измерений по частотам в заданные интервалы времени;

–      2D- и 3D-визуализацию результатов измерений;

–      выполнение корреляционного анализа между измерениями за различные сутки наблюдений;

–      взаимодействие с базой данных для хранения как исходных, так и обработанных данных.

При разработке ПО обработки данных СДВ-радиосигналов использовались язык программирования C++ и фреймворк Qt. Перечисленные выше функции реализованы в приложении, обладающем графическим интерфейсом пользователя (GUI), что в будущем позволит обеспечить переносимость приложения на Linux-подобные системы [7].

В ПО активно используется паттерн проектирования «Модель – Представление – Контроллер» (MVC). Таким образом, управляющая логика ПО разделена на отдельные компоненты – вид, контроллер и модель, причем изменение каждого из них оказывает минимальное влияние на остальные.

Обработанные данные позволяют оценить вариации мощности (Дб) принимаемого сигнала от определенного СДВ-радиопередатчика. При этом учитывается время восхода и захода Солнца для определенного местоположения приемника, что позволяет судить об особенностях ионосферных процессов при прохождении линии терминатора через зону отражения СДВ-сигнала от возмущенной области ионосферы.

Для обеспечения функций визуализации в разработанном ПО использовались дополнительные кроссплатформенные программные библиотеки QwtPlot3D и QCustomPlot.

Библиотека QwtPlot3D (http://qwtplot3d.source­forge.net) представляет собой набор Qt-виджетов и вспомогательных классов, необходимых для создания трехмерного графического представления числовых данных. Библиотека написана на С++ с использованием OpenGL. Соответственно для функционирования библиотеки требуется наличие настроенного окружения OpenGL, а именно библиотек функций OpenGL Utility Toolkit (glut.dll) и OpenGL Extension Wrangler Library (glew.dll) [8]. Особенности библиотеки QwtPlot3D:

–      совместимость с любой версией Qt;

–      наличие специализированных виджетов для отображения поверхностей и графиков;

–      возможность параметрического задания поверхностей;

–      пользовательская визуализация;

–      вращение и масштабирование построенного изображения;

–      взаимодействие с мышью и клавиатурой;

–      сохранение изображения в любой графический формат, поддерживаемый Qt.

Библиотека QCustomPlot представляет собой Qt-виджет для создания двухмерного представления числовых данных, обладает высокой производительностью для приложений визуализации в режиме реального времени.

Библиотека позволяет экспортировать построенные изображения как в векторные, так и в растровые форматы данных, например PNG, JPG, BMP.

Результаты обработки визуализируются с помощью описанных выше программных библиотек и сохраняются как в текстовом, так и в графическом виде. По итогам анализа на данных диагностируются солнечные вспышки.

Результаты, получаемые АПК, в дальнейшем планируется ассимилировать с технологией диагностики ионосферы по данным глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS. Такое комплексирование технологий мониторинга состояния ионосферы с помощью GPS/ГЛОНАСС и СДВ-приемников позволит повысить учет эффектов космической погоды при разработке телекоммуникационных систем.

Литература

1.     Blaunstein N., Plohotniuc E. Ionosphere and Applied As­pects of Radio Communication and Radar. CRC Press, 2008, 600 p.

2.     Blaunstein N., Pulinets S.A., and Cohen Y. Computation of the Key Parameters of Radio Signals Propagating through a Perturbed Ionosphere in the Land–Satellite Channel. Geomag­netism and Aeronomy, 2013, vol. 53, no. 2, pp. 204–215.

3.     Fortescue P., Swinerd G., Stark J. Spacecraft Systems Engineering. Wiley, 2011, 4 ed., 724 p.

4.     Авдюшин С.И., Данилкин Н.П., Журавлев С.В., Давыдов Н.М., Лукьященко В.И., Шувалов В.А., Коваленко А.И. Исследование и отработка многофункционального радиофизического комплекса для зондирования ионосферы, поверхности и подповерхности структур Земли с борта космических аппаратов // Космонавтика и ракетостроение. 2007. № 4 (49). С. 158–163.

5.     Schunk R., Nagy A. Ionospheres: Physics, Plasma Physics, and Chemistry. Cambridge Univ. Press, 2009, 2 Ed., 628 p.

6.     Hargreaves J.K. The Solar-Terrestrial Environment: An Introduction to Geospace – the Science of the Terrestrial Upper Atmosphere, Ionosphere, and Magnetosphere. Cambridge Univ. Press, 1995, 436 p.

7.     Blanchette J., Summerfield M. C++ GUI Programming with Qt 4. Prentice Hall, 2008, 2 Ed., 752 p.

8.     Wright R.S., Haemel N., Sellers G. OpenGL SuperBible: Comprehensive Tutorial and Reference. Addison-Wesley Pro­fessional, 2010, 5 Ed., 1008 p.

References

1.  Blaunstein N., Plohotniuc E.  Ionosphere and Applied Aspects of Radio Communication and Radar. CRC
Press, 2008, 600 p.

2.  Blaunstein N., Pulinets S.A., Cohen Y. Computation of the Key Parameters of Radio Signals Propagating
through a Perturbed Ionosphere in the Land –Satellite Channel.  Geomagnetism and Aeronomy. 2013, vol. 53, no. 2,
pp. 204–215.

3.  Fortescue P., Swinerd G., Stark J. Spacecraft Systems Engineering. Wiley Publ., 4th ed., 2011, 724 p.

4.  Avdyushin S.I., Danilkin N.P., Zhuravlev S.V., Davydov N.M., Lukyashchenko V.I., Shuvalov V.A.,
Kovalenko A.I. The research and development of a multifunctional complex  for radiophysical ionospheric sounding,
surface and subsurface structures of Earth from the spacecraft. Kosmonavtika i raketostroenie [Astronautics and Rock-et Engineering]. 2007, no. 4 (49), pp. 158–163 (in Russ.).

5.  Schunk R., Nagy A.  Ionospheres: Physics,  Plasma Physics, and Chemistry. Cambridge Univ. Press, 2nd ed.,
2009, 628 p.

6.  Hargreaves J.K. The Solar-Terrestrial Environment: An Introduction to Geospace  –  the Science of the Terres-trial Upper Atmosphere, Ionosphere, and Magnetosphere . Cambridge Univ. Press, 1995, 436 p.

7.  Blanchette J., Summerfield M. C++ GUI Programming with Qt 4. Prentice Hall Publ., 2nd ed., 2008, 752 p.

8.  Wright R.S., Haemel N., Sellers G.  OpenGL SuperBible: Comprehensive Tutorial and Reference. Addison-Wesley Professional Publ., 5th ed., 2010, 1008 p.