Введение 2
1 Методы и технические средства измерения полного электронного содержания ионосферы
6
1.1 Методы мониторинга ионосферы
6
1.1.1 Методы вертикального зондирования
6
1.1.2 Метод некогерентного рассеяния радиоволн
8
1.1.3 Спутниковый метод радиопросвечивания ионосферы ГНСС-сигналами
10
1.1.4 Метод наземной регистрации ГНСС-сигналов
10
1.2 Технические средства мониторинга ионосферы
11
11.2.1 ИонозондЫ
11
1.2.2 Радары некогерентного рассеяния
14
1.2.3 Навигационные спутниковые системы ГЛОНАСС, GPS, Galileo, Beidoul
15
|1.2.4 Спутники систем CHAMP, COSMIC, GRACE 19
2 Алгоритм обработки данных о полном электронном содержании ионосферы для выявления предвестников землетрясений
25
2.1 Физика процесса подготовки и реализации землетрясений 25
2.2 Внутренние гравитационные волны в атмосфере 26
2.3 Взаимодействие ВГВ с ионосферой 27
2.4 Результаты регистрации ПЭС над районами землетрясений ....
28
2.5 Описание алгоритма выявления предвестников землетрясения по
данным о ПЭС|
29
3 Разработка устройства для измерения
полного электронного содер-
жания|
31
|3.1 Концепция технологии ArduinQ . . 31
3.2 Интегрированная среда разработки программного обеспечения Arduino IDEI 32
3.3 Модуль ГЛОНАСС/GPS-приемника
uBlox NEO-M8 33
3.4 Микропроцессорный модуль Arduino Nano 33
3.5 Модуль микроконтроллера SP8266
35
3.6 Алгоритм обработки данных измерений
4 Результаты измерений полного электронного содержания ионосферы
4.1 Формат хранения навигационных данных RINEX
4.2 Программные средства обработки данных измерений сигналов навигационных спутников
4.3 Методика определения ПЭС по навигационным данным
4.4 Результаты экспериментов по регистрации ПЭС ионосферы . .
Заключение
Список использованных источников
Землетрясения являются одним из наиболее серьезных проявлений внутренней энергии Земли. Жертвами природной стихии становятся тысячи человек. В результате сейсмической активности происходят разрушения зданий, пожары, повреждение мостов, дорог и трубопроводов, обрыв кабелей системы электропитания. Разрушение инженерных конструкций и промышленных предприятий может спровоцировать техногенные аварии с тяжелыми последствиями. Степень воздействий в значительной степени зависят от того, где происходит землетрясение: будь то преимущественно городские или сельские, плотно или малонаселенные регионы, и, конечно же, большую роль играет способность инфраструктуры выдерживать тряску. Нередко еще одним результатом землетрясений становятся голод и эпидемии. Все это имеет отражение в финансовой не стабильности регионов, подвергшихся землетрясениям. Ощутимый вред наносится и окружающей среде: падение деревьев, изменение ландшафта (обрушение скал, сход пород, оползни) и пыль в воздухе, затрудняющая дыхание всем представителям фауны.
В мире ежедневно регистрируются землетрясения различной степени интенсивности. За год количество только ощущаемых нами может достигать порядка 50000. В этой связи, для сейсмоактивных регионов актуальна ранее оповещение о готовящемся землетрясении. Это поможет предотвратить большое число человеческих жертв и снизит масштабы разрушений. В настоящее время особое внимание уделяется изучению вариаций ионосферных аномалий перед крупными сейсмическими активностями. Это связано прежде всего с тем, что изменение полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы над областью эпицентра в периоды, предшествующие сильным сейсмическим событиям, считается одним из возможных способов идентификации предшественников землетрясений.
Цель дипломной работы - разработать методику расчета полного электронного содержания ионосферы, позволяющего судить о сейсмической ситуации. За основу берется технология одночастотного метода получения информации приемным ГНСС-модулем, подключенным к платформе Arduino. Модуль производит сбор, а микропроцессорная плата - расчет данных.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Осуществить выбор аппаратных средств для создания устройства.
2. Подготовить прототип измерительного устройства.
3. Разработать математический аппарат обработки данных измерений.
4. Реализовать программное обеспечение.
Первая глава работы посвящена рассмотрению существующих современных методов и технических средств, используемых для измерения полного электронного содержания ионосферы.
Во второй главе содержится описание физики процесса подготовки и реализации землетрясений. Рассматривается алгоритм обработки данных о полном электронном содержании ионосферы для выявления предвестников землетрясений.
В третьей главе рассматривается разработка устройства для измерения полного электронного содержания. Изложен алгоритм обработки данных измерений. Представлена концепция технологии Arduino, ее интегрированная среда разработки, а также микропроцессорный модуль Arduino Nano и микроконтроллер ESP8266. Дано техническое описание ГНСС-приемника.
В четвертой главе описываются результаты измерений полного электронного содержания ионосферы.
В ходе проделанной работы были достигнуты следующие цели:
- осуществлен обзор современных аппаратных средств для создания устройства измерения ПЭС;
- создан прототип устройства определения ПЭС ионосферы одночастотным методом на основе микропроцессорной платы с подключенным ГНСС-модулем;
- разработана и апробирована методика обработки первичных навигационных данных, служащих основой для высокоточных расчетов ПЭС.
Возможность использования одночастотных приемников ГЛОНАСС и GPS для мониторинга ионосферы действительно интересна, так как это позволяет уплотнять количество наблюдений, которые могут быть проанализированы, чтобы получить полную томографию ионосферы. Развитие ГНСС-технологий и методов ассимиляции позволяет улучшить наше понимание ионосферы. В ближайшем будущем ПЭС будет все чаще использоваться для обнаружения механизма сейсмо-ионосферной связи. Регистрация ПЭС посредствам дистанционного ГНСС зондирования является потенциальным методом обнаружения предвестников землетрясений. С большим количеством таких систем возможно не только обнаружить аномалию ПЭС, но и расположение эпицентра на основе пространственного анализа вариаций ПЭС. Эти данные могут помочь в уменьшении последствий землетрясений.
Проведенное исследование показало, что существует возможность мониторинга и выявления ионосферных предвестников землетрясений в сейсмоопасных районах с применением одночастотных измерений на основе радиосигналов навигационной спутниковой системы.
Дальнейшие исследования должны быть направлены на осуществление серии натурных измерений одночастотным и двучастотным методами в сейсмоопасных регионах для верификации разработанной методики.
