نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

• سحر برزگر ¹
• مسعود خوش سیما ²

¹ گروه فیزیک فضا، مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران، تهران، ایران

² پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران

چکیده

پیشینه و اهداف: تکنیک­های سنجش (sounding) رادیویی و توموگرافی، برای مطالعه ساختار و دینامیک یون­سپهر به کار می‌روند. توموگرافی یکی از روش‌های پیشرفته برای مطالعه و مدل‌سازی سه‌بعدی چگالی الکترونی در لایه یون­سپهر است. این روش از داده‌های مشاهداتی مانند GNNS برای تولید نقشه‌های دقیق از توزیع الکترون‌ها در این لایه استفاده می‌کند. توموگرافی یون­سپهر به ما امکان تشخیص تغییرات زمانی و مکانی چگالی الکترونی را با دقت بالا می­دهد. که این امر برای برنامه‌های کاربردی مانند ناوبری ماهواره‌ای، ارتباطات رادیویی و پیش‌بینی‌های متئورولوژیکی حیاتی است. توسعه اندازه‌گیری و توموگرافی یون­سپهر، که به مطالعه و تحلیل لایه‌های بالایی جو زمین می‌پردازد، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. این فرآیند، که از اوایل قرن بیستم آغاز شده، شامل تکنیک‌های مختلفی برای بررسی توزیع الکترون‌ها در یون­سپهر است. اندازه‌گیری یون­سپهر، که با استفاده از رادارهای مخصوصی به نام ایونوسوندها انجام می‌شود، به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا اطلاعات دقیقی در مورد تراکم الکترونی و ساختار لایه‌های یونیزه شده به دست آورند. توموگرافی یک روش تصویربرداری است، که از انتشار امواج رادیویی در یون­سپهر برای تولید تصاویر دو یا سه بعدی از توزیع الکترون‌ها در این لایه استفاده می‌کند. این تکنیک‌، که به طور گسترده‌ای در پیش‌بینی شرایط جوی، مخابرات رادیویی و مطالعات فضایی به کار می‌روند، نقش مهمی در پیشرفت علم جوسپهری داشته‌اند. با پیشرفت تکنولوژی، ابزارهای اندازه‌گیری پیشرفته‌تر و دقیق‌تر شده‌اند، که این امر به درک بهتری از پدیده‌های مختلف یون­سپهر منجر شده است. امروزه، با استفاده از ماهواره‌ها و سایر فناوری‌های پیشرفته، دانشمندان قادر به انجام اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر و تحلیل‌های عمیق‌تری از این لایه  هستند، که این امر در نهایت به بهبود ارتباطات جهانی و افزایش ایمنی پروازهای هوایی کمک می‌کند. در این مقاله، روش موجود برای چگونگی بدست آوردن تغییر چگالی الکترونی لایه یونسفر مبتنی بر پارامتر محتوای کلی الکترون (TEC) با استفاده از تحلیل تفاضل فازی ایجاد شده در سیگنال مخابراتی سامانه ماهواره­ای راهبری جهانی GNSS در هنگام عبور از لایه‌های مختلف یونسفر مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. به این منظور سیگنال‌ها مخابراتی از ماهواره‌های مدار پایین و مدارهای بالا مطالعه شده‌اند و روش بدست آوردن TEC از تفاضل فازی برا هریک توضیح داده شد. سپس به مطالعه روش‌ها و الگوریتم‌های موجود برای تبدیل اطلاعات TEC به تصاویر توموگرافیک پرداختیم. در انتهای این مقاله به عنوان یک مثال روش توموگرافی رادیویی را برای مصورسازی حباب‌های پلاسمایی در منطقه استوایی پیاده‌سازی کرده و نتایج آن را با تصاویر گرفته شده از ادوات اپتیکی مقایسه کردیم. نشان داده شد که توموگرافی رادیویی می‌تواند به عنوان روشی دقیق برای مصورسازی ساختار حباب‌های پلاسما به‌کارگرفته شود. در انتهای این مقاله به مقایسه روش مطالعه شده در اینجا با روش‌هایی نظیر تصویربرداری تمام آسمان، رادارهای پراکندگی غیر همدوس و غیره، پرداخته شد و مزایا و معایب این روش‌ها نسبت به یکدیگر بیان شد.
روش ­ها: در تحقیقات کنونی در زمینه صدازدایی و توموگرافی یون­سپهر با استفاده از GNSS، پیشرفت‌های قابل توجهی صورت گرفته است. مطالعات اخیر نشان می‌دهند که با استفاده از GNSS، می‌توان ساختار یون­سپهر را به صورت سه‌بعدی و با دقت بالا مدل‌سازی کرد. توزیع الکترونی یون­سپهر با استفاده از داده‌های رادیویی که از ماهواره‌های در ‌ارتفاع کم (LO) و ارتفاع  بالا (HO) به دست می‌آیند، تجزیه و تحلیل می­شود. جمع‌آوری اطلاعات یونسپهر با استفاده از GNSS یک فرآیند پیچیده و دقیق است که از تکنولوژی پیشرفته برای اندازه‌گیری و تحلیل پارامترهای مختلف یون­سپهری بهره می‌برد. این سیستم‌ها، که شامل ماهواره‌هایی در مدار زمین هستند، سیگنال‌هایی را به ایستگاه‌های گیرنده روی زمین مخابره می‌کنند. این سیگنال‌ها حاوی اطلاعات زمانی و مکانی دقیق ماهواره‌ها هستند که با استفاده از آن‌ها می‌توان موقعیت دقیق گیرنده‌ها را روی زمین تعیین کرد. نحوه توزیع چگالی الکترونی در لایه یون­سپهر برروی نحوه انتشار امواج رادیویی GNSS و تغییر مسیر، شکل و فاز این امواج به طور مستقیم تأثیرگذار است. هرگونه اختلال در لایه یون­سپهر، تأثیر جدی در ارتباطات ماهواره‌ای، ارتباطات دقیق ناوبری و ارتباطات دوربرد می‌گذارد. در حقیقت، GNSS از این قابلیت برای اندازه‌گیری محتوای کلی الکترون (TEC) یون­سپهر استفاده می‌کند، که یک شاخص کلیدی برای درک وضعیت یونسپهر است. این فرآیند با استفاده از سیگنال‌هایی که از ماهواره‌ها به ایستگاه‌های زمینی فرستاده می‌شوند، صورت می‌گیرد. این سیگنال‌ها هنگام عبور از یون‌سپهر تحت تأثیر تغییرات الکترونی قرار می‌گیرند و این تغییرات می‌توانند با دقت بالایی اندازه‌گیری شوند.
یافته ­ها: در این پژوهش مطالعه جامعی بر روی تحقیقات کنونی در زمینه توموگرافی رادیویی یون­سپهر با استفاده از اندازه­گیری TEC یون­سپهر توسط GNSS انجام شده است. مفهوم TEC و نحوه تأثیر آن بر روی فاز و شکل سیگنال­های دریافت شده از ماهواره­های مدار پایین و مدار بالا مورد بررسی قرار گرفته است. کاربرد و روش استفاده از داده­های ماهواره­های LO و HO برای بدست آوردنTEC  به تفصیل توضیح داده شده­اند. به اعتبار­سنجی و صحت‌سنجی داده­های ماهواره­ای در توموگرافی رادیویی یون­سپهر که ضامن درستی عملکرد محصول نهایی و فرآیند تولید آن است، پرداخته شده است. در انتها مروری بر یک تکنیک برای بازسازی تصاویر توموگرافی حباب های پلاسمایی با اندازه­گیری TEC از طریق سیگنال­های GNSS انجام شد. نشان داده شد که این تکنیک بازسازی توموگرافی روی تصویربرداری از حباب­های پلاسمایی به خوبی عمل ­می­کند. توزیع‌های افقی گرفته شده از کاهش پلاسمای VTEC با تصاویر گرفته شده از ادوات اپتیکی مقایسه گردید و نشان داده شد که نتایج مشابهی حاصل می‌شود. همچنین نتایج بیان می‌کنند که در صورت بزرگ بودن ساختار حباب حتی در نواحی که سیگنال GNSS در آن­های ضعیف است، می­توان نتیجه درستی از این روش بدست آورد.
نتیجه ­گیری: در مجموع، توموگرافی GNSS یک حوزه پویا و در حال توسعه است که پتانسیل زیادی برای بهبود دقت و کارایی در پیش‌بینی‌های جوی دارد. با تحقیق و توسعه بیشتر، می‌توان انتظار داشت که روش‌ها و فناوری‌های جدیدی در این زمینه معرفی شوند که می‌توانند به حل چالش‌های موجود و بهبود کیفیت و دقت مدل‌های توموگرافی کمک کنند. این پیشرفت‌ها می‌توانند تأثیر قابل توجهی بر کاربردهای متنوع توموگرافی GNSS، از جمله در زمینه‌های هواشناسی، تغییرات اقلیمی و مدیریت بلایا داشته باشند.

کلیدواژه‌ها

• صداسنجی رادیوی
• سامانه راهبری ماهواره‌ای جهانی
• محتوای کلی الکترونی
• یونسپهر
• حباب پلاسمایی یونسفری

موضوعات

• سنجش از دور

عنوان مقاله [English]

Radio Sounding and Tomography of Ionosphere based on GNSS

نویسندگان [English]

• S. Barzegar ¹
• M. khoshsima ²

¹ Department of space science, Institute of Geophysics, University of Tehran, Tehran, Iran

² Iranian Space Research Center, Tehran, Iran

چکیده [English]

Background and Objectives: Radio sounding and tomography techniques play a crucial role in studying the structure and dynamics of the ionosphere. Specifically, tomography is an advanced method for creating three-dimensional models of electron density within the ionospheric layer. By utilizing observational data, such as GPS measurements, tomography generates accurate maps of electron distribution. Ionospheric tomography provides high-precision insights into temporal and spatial variations in electron density. This precision is essential for applications like satellite navigation, radio communications, and meteorological predictions. Researchers focus on the upper layers of Earth’s atmosphere, using specialized radars called ionosondes to obtain precise information about electron density and the structure of ionized layers. Tomography, an imaging technique, relies on radio wave propagation through the ionosphere. It produces two- or three-dimensional images of electron distribution within this layer. Widely used in weather forecasting, radio communications, and space studies, tomography significantly advances our understanding of ionospheric phenomena. Technological advancements, including satellite-based measurements, enable even more accurate analyses, ultimately enhancing global communication and aviation safety. In this paper, the existing method for how to obtain the electron density change of the ionosphere layer based on the total electron content (TEC) parameter by using the phase difference analysis created in the communication signal of the global navigation satellite system GNSS when passing through different layers of the ionosphere has been investigated and studied. For this purpose, communication signals from low-orbit and high-orbit satellites were studied, and the method of obtaining TEC from phase difference was explained for each. Then, we studied the existing methods and algorithms for converting TEC (Total Electron Content) data into tomographic images. At the end of this article, as an example, we implemented the radio tomography method to visualize plasma bubbles in the equatorial region and compared the results with images taken from optical instruments. It was shown that radio tomography can be used as an accurate method for visualizing the structure of plasma bubbles. At the end of this article, we compared the method studied here with methods such as all-sky imaging, incoherent scatter radars, etc., and discussed the advantages and disadvantages of these methods relative to each other.
Methods: In current research on ionospheric sounding and tomography, significant progress has been made using the Global Navigation Satellite System (GNSS). Recent studies indicate that GNSS can model the ionospheric structure in three dimensions with high precision. Electron distribution in the ionosphere is analyzed using radio data obtained from satellites at Low Earth Orbit (LO) and High Earth Orbit (HO). Collecting ionospheric information via GNSS is a complex and precise process that relies on advanced technology to measure and analyze various ionospheric parameters. These systems, which include Earth-orbiting satellites, transmit signals to ground-based receiver stations. These signals contain precise temporal and spatial information about the satellites, allowing accurate determination of receiver positions on Earth. The distribution of electron density in the ionospheric layer directly affects the propagation of GNSS radio waves, including their path, shape, and phase. Any disruption in the ionospheric layer significantly impacts satellite communications, precise navigation, and long-range communications. In fact, GNSS utilizes this capability to measure the Total Electron Content (TEC) of the ionosphere, a key indicator for understanding its state. This process occurs through signals transmitted from satellites to ground stations. As these signals pass through the ionosphere, they are influenced by electron density variations, which can be measured with high accuracy.
Findings: In this comprehensive study, current research on ionospheric radio tomography using Total Electron Content (TEC) measurements from GNSS has been conducted. The concept of TEC and its impact on the phase and shape of signals received from the examined satellites has been explored. The application and methodology of using Low Earth Orbit (LEO) and High Earth Orbit (HEO) satellite data to obtain detailed TEC information are described. The validation and accuracy assessment of satellite data in ionospheric radio tomography, which is crucial for the reliability of the final product and the production process, have been addressed. Finally, a technique for reconstructing tomographic images using TEC measurements via GNSS signals is reviewed. It has been demonstrated that this reconstruction technique works well for imaging plasma bubbles. Horizontal distributions obtained from Vertical TEC (VTEC) depletions are compared with images captured by optical instruments, yielding similar results. Even in regions where GNSS signals are weak, this method can yield good outcomes if the bubble structures are sufficiently large.
Conclusion: In summary, GNSS tomography represents a dynamic and evolving field with significant potential for improving accuracy and efficiency in weather predictions. As we continue our research and development efforts, we anticipate the emergence of new methods and technologies that can address existing challenges and enhance the quality and precision of tomographic models. These advancements hold promise for diverse applications of GNSS tomography, including meteorology, climate change studies, and disaster management.

کلیدواژه‌ها [English]

• Radio Sounding
• Tomography
• GNSS
• Total Electron Content
• Ionosphere
• Ionospheric Plasma Bubble

COPYRIGHTS 
© 2024 The Author(s).  This is an open-access article distributed under the terms and conditions of the Creative Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/)