ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1 ИССЛЕДОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ОКОЛОЗЕМНОГО КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА. ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТОВ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ 6
1.1 Эффекты комической погоды. Геомагнитное поле Земли 6
1.2 Типы вариаций магнитного поля Земли. Геомагнитные
возмущения 7
1.3 Регистрация данных магнитного поля Земли 13
1.4 Параметры геомагнитного поля 14
1.5 Обзор существующих методов обработки и анализа
геомагнитных данных 19
1.6 Анализ основных подходов к решению задачи 20
1.7 Вейвлет преобразование 22
1.8 Искусственные нейронные сети 27
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ОКОЛОЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА 43
2.1 Постановка задачи. Виды геомагнитных возмущений и
рассматриваемые классы состояний поля Земли 43
2.2 Разработка метода оценки состояния околоземного пространства
на основе вейвлет-преобразования и нейронной сети 46
2.3 Решающие правила и системы оценки состояния геомагнитного
поля 54
2.4 Построение алгоритма на основе метода оценки состояния
околоземного пространства 59
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ 66
3.1 Результаты работы метода и оценка погрешностей его вычислительных алгоритмов 66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 78
ПРИЛОЖЕНИЕ 83
Основой оценки свойств и состояния, электромагнитных полей в околоземном космическом пространстве является изучение эффектов космической погоды, а именно геомагнитных возмущений. По состоянию на 2017 год, солнечная активность прошла минимальный период и снова начала возрастать. В период максимума, взрывной феномен, такой как солнечные вспышки часто возникает на поверхности солнца и возмущает магнитосферу и ионосферу Земли. Ионосфера - плазменный регион, простирающийся от 80 км до 1000 км - использующий человечеством как отражающий слой, для радиосвязи используя коротковолновый диапазон. В последние годы, космические шаттлы и многочисленные устройства существуют на орбите и над ионосферой. Спутниковые сигналы достигают земли, проходя через ионосферу, колебания электронной плотности ионосферы, возникающие в результате солнечной активности, существенно влияют на спутниковые сигналы, используемые для таких целей, как систем спутникового позиционирования. Резкое колебание электронной плотности ионосферы называется ионосферной бурей. В результате воздействия солнечной активности на околоземное космическое пространство, происходят магнитосферно-ионосферные возмущения различного масштаба и длительности, которые негативно воздействуют на современные технологические системы и состояние радиоэфира. Также они приводят к потере ориентации ИСЗ и проблемам с радиолокацией и негативно влияют на самочувствие людей. На Земле сильные магнитные возмущения называются магнитными бурями. Магнитные бури непосредственно воздействуют на два основных звена: на радиосвязь и на протяжённые линии электропроводников. Радиосвязь ухудшается в связи с тем, что радиоволнам значительно сложнее распространяться в условиях возмущений магнитного поля Земли. А нарушения в работе линий электропередач и подобных коммуникаций связаны с возникновением, так называемых паразитных токов.
Поэтому поиск новых методов выделения эффектов космической погоды для прогнозирования магнитных бурь, является актуальным. В данной работе предлагается разработка метода и алгоритма выделения эффектов космической погоды с помощью использования дискретного вейвлет преобразования и нейронных сетей.
Поэтому целью данной магистерской диссертации является разработка метода и алгоритма выделения эффектов космической погоды, влияющих на функционирование навигационных и коммуникационных систем.
Для достижения цели магистерской диссертации поставлены следующие задачи:
1. По данным мониторинга космической погоды исследование процессов в околоземном пространстве, влияющих на стабильность работы технических систем
2. Разработка метода по обработке данных мониторинга космической погоды и выделению эффектов космической погоды
3. Разработка алгоритма по выделению эффектов космической погоды.
4. Реализация алгоритма с использованием средств MATLAB.
5. Апробация алгоритма, оценка погрешностей.
Объектом исследования являются переменное магнитное поле Земли в периоды спокойной и повышенной геомагнитной активности .
Предметом изучения являются методы и алгоритмы анализа данных мониторинга космической погоды, описывающие геомагнитные возмущения; Н-компоненты магнитного поля Земли, Dst-вариации, Ae-индекс.
Научная новизна - автоматизированный метод анализа данных мониторинга космической погоды и выделения эффектов космической погоды, основанный на конструкции вейвлет-преобразования и вероятностных нейронных сетей.
Практическая значимость: разработанный автоматический метод может использоваться геомагнитными обсерваториями как в помощь эксперту для определения состояния магнитного поля Земли по геомагнитным данным.
Данная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Первая содержит общие сведения о причине возникновения магнитных бурь, методов обработки и анализа геомагнитных данных. Вторая глава посвящена постановки задачи и разработки метода и алгоритма анализа эффектов космической погоды и выделение, и оценка возмущений. В третьей главе приведены результаты работы предложенного метода и алгоритма. Четвертая часть включает экономический анализ. Также данная работа содержит: 90 страниц, 40 рисунков, 4 таблица, 23 формулы, 39 источников литературы. Реализация разработанного алгоритма в программной среде MATLAB приведено в приложении.
Цель работы достигнута. Поставленные задачи решены.
Основные научные и практические результаты работы можно сформулировать следующим образом:
1) Проведены эксперименты с данными мониторинга состояния ОКП;
2) Разработан метод оценки состояния ОКП(околоземного пространства):
- Предложен подход, основанный на объединении двух аппаратов: вейвлет-преобразования, для выделения информативных составляющих сигналов, и вероятностные нейронные сети, определяющие состояния компонент сигналов;
- Разработана структура коллектива нейронных сетей по анализу
детализирующих компонент H-вариации;
- Разработана структура коллектива нейронных сетей по анализу
детализирующих компонент Dst-вариации;
- Создан блок пороговых функций для анализа данных AE-индекса
3) Разработан автоматический алгоритм реализации разработанного метода;
4) Определена погрешностью (23,51%) разработанного метода;
5) Разработанный метод может быть реализован в аппаратной среде и использоваться геомагнитными обсерваториями в задачах оценки состояния ОКП.
