Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 16670 10.12737/szf-34201709 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Complex analysis of the ionospheric response to operation of “Progress” cargo spacecraft according to the data of GNSS receivers in Baikal region Комплексный анализ реакции ионосферы на работу двигательных установок ТГК «Прогресс» по данным ГНСС-приемников в Байкальском регионе Ишин Артем Борисович Ishin Artem Borisovich ishin@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Воейков Сергей Викторович Voeykov Sergey Viktorovich serg3108@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0001-5695-4688 Перевалова Наталья Петровна Perevalova Natalia Petrovna pereval@iszf.irk.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Хахинов Виталий Викторович Khakhinov Vitaliy Viktorovich khakhin@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation 3 4 93 103 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/16670/view

В рамках активных космических экспериментов «Плазма—Прогресс» и «Радар—Прогресс» с 2006 по 2014 г. было проведено исследование воздействия двигательных установок (ДУ) космических кораблей серии «Прогресс» на ионосферу по данным приемников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Проведено 72 эксперимента, в которых для регистрации неоднородностей ионосферной плазмы, вызванных работой ДУ, использовались данные станций мировой сети ГНСС-приемников IGS (International GNSS Service). Из них в 35 экспериментах дополнительно привлекались данные сети SibNet ИСЗФ СО РАН. Анализ пространственно-временной картины вариаций полного электронного содержания (ПЭС) показал, что задача обнаружения отклика ПЭС на работу ДУ осложнена рядом факторов: 1) воздействие ДУ на ионосферную плазму сильно локализовано в пространстве и имеет относительно небольшую интенсивность; 2) имеется малое количество радиолучей приемник—спутник, обусловленное малым числом приемных станций ГНСС, особенно до 2013 г.; 3) возможный отклик ПЭС маскируется фоновыми возмущениями ионосферы различной интенсивности. Однако отклики ПЭС уверенно регистрируются в тех случаях, когда радиолуч приемник—спутник пересекает возмущенную область в течение нескольких минут после воздействия. Отклики ПЭС были зарегистрированы в 7 экспериментах (10 % случаев). Амплитуда ионосферного отклика (0.3–0.16 TECU) в несколько раз превышает фоновые вариации ПЭС (~0.25 TECU). Время существования неоднородности в ионосфере по данным ПЭС составляет от 4 до 10 мин. Проведенная оценка показала, что неоднородности имеют поперечный размер 12–30 км.

As part of the Plasma—Progress and Radar—Progress space experiments performed from 2006 to 2014, effects of Progress spacecraft engines on the ionosphere have been studied using data from Global Navigation Satellite System (GNSS) receivers. 72 experiments have been carried out. All these experiments were based on data from the worldwide IGS network of GNSS receivers to record ionospheric plasma irregularities caused by engine operation. 35 experiments used data from the ISTP SB RAS SibNet network. The analysis of the spatio-temporal pattern of total electron content (TEC) variations has shown that the problem of identifying the TEC response to engine operation is complicated by a number of factors: 1) the engine effect on ionospheric plasma is strongly localized in space and has a relatively low intensity; 2) a small number of satellite—receiver radio rays due to the small number of GNSS stations, particularly before 2013; 3) a potential TEC response is masked with background ionospheric disturbances of various intensity. However, TEC responses are identified with certainty when a satellite—receiver radio ray crosses a disturbed region within minutes after exposure. TEC responses have been registered in 7 experiments (10 % of cases). The amplitude of ionospheric response (0.3–0.16 TECU) exceeded the background TEC variations (~0.25 TECU) several times. The TEC data indicate that the ionospheric irregularity lifetime is from 4 to 10 minutes. According to the estimates we made, the transverse size of irregularities is from 12 to 30 km.

 ионосфера ГНСC SibNet «Прогресс» ionosphere GNSS SibNet Progress

ВВЕДЕНИЕАктивные эксперименты по воздействию на ионосферную плазму вызывают большой интерес, поскольку они, во-первых, могут быть повторены для сопоставления и верификации результатов, а, во-вторых, представляют собой калиброванное локальное воздействие, которое можно использовать для сравнения точности разных средств диагностики, уточнения моделей ионосферы, проверки гипотез о взаимодействии различных слоев атмосферы.Активные космические эксперименты (КЭ) «Плазма—Прогресс» и «Радар—Прогресс» [Лебедев и др., 2008; Potekhin et al., 2009; Хахинов и др., 2013], проводившиеся в Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЗФ СО РАН) в период с 2006 по 2014 г., были направлены на изучение воздействия двигательных установок (ДУ) транспортно-грузовых кораблей (ТГК) «Прогресс» на верхние слои атмосферы и ионосферу [Khakhinov et al., 2011, 2012; Борисов и др., 2012; Хахинов и др., 2010, 2012]. Включения ДУ для экспериментов проводились после отстыковки ТГК от международной космической станции (МКС) при пролете ТГК над обсерваториями ИСЗФ [Khakhinov et al., 2011, 2012; Хахинов и др., 2012]. В качестве средств диагностики состояния околоземного космического пространства использовался комплекс геофизических инструментов ИСЗФ [Сейсмоионосферные…, 2012; Институт…, 2015]. Одним из таких инструментов является разработанный в ИСЗФ программно-аппаратный комплекс GLOBDET [Афраймович, Перевалова, 2006], предназначенный для детектирования ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения на основе измерений вариаций полного электронного содержания (ПЭС). Измерения выполнены с помощью сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Основой и источником данных комплекса GLOBDET служит сеть наземных двухчастотных приемников ГНСС. В 2006–2012 гг. для регистрации ионосферных эффектов работы ДУ ТГК «Прогресс» использовались приемники ГНСС, входящие в глобальную сеть IGS. В 2012 г. в ИСЗФ была развернута собственная региональная сеть SibNet наземных приемных станций ГНСС [Ишин и др., 2017]. Поэтому в 2013–2014 гг. привлекались данные этой сети. Настоящая работа посвящена подробному анализу реакции ионосферы на работу сближающе-корректирующих двигателей (СКД) ТГК «Прогресс», проявляющейся в ПЭС, по данным ГНСС.

Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. Иркутск: Изд-во ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2006. 480 с. Afraimovich E.L., Perevalova N.P. GPS-monitoring verhnej atmosfery Zemli [GPS-monitoring of the Earth's upper atmosphere]. Irkutsk, 2006. 480 p. Борисов Б.С., Габдуллин Ф.Ф., Гаркуша В.И. и др. Радиофизические характеристики плазменного окружения низкоорбитальных КА по данным космических экспериментов // Нелинейный мир. 2012. Т. 10, № 10. С. 700-709. Borisov B.S., Gabdullin F.F., Garkusha V.I., Korsun A.G., Kurshakov M.Yu., Strashinskiy V.A., Tverdokhlebova E.M., Khakhinov V.V. Radiophysical characteristics of low-orbit spacecraft plasma environment revealed by space experiments. Nelineinyi mir [J. Nonlinear World]. 2012, vol. 10, no. 10, pp. 700-709. (In Russian). Институт солнечно-земной физики: создание и развитие / отв. ред. Г.А. Жеребцов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2015. 610 с. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. New York, Wien, Springer-Verlag, 1992, 327 p. Ишин А.Б., Воейков С.В. Определение параметров ионосферного отклика на включение двигателей космического корабля «Прогресс» по данным ГНСС // XXIII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». Иркутск, 3-7 июля 2017 г.: Материалы. С. E85-E88. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Wasle E. GNSS - Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, Galileo and more. New York, Wien, Springer, 2008, 516 p. Ишин А.Б., Перевалова Н.П., Воейков С.В., Хахинов В.В. Первые результаты регистрации ионосферных возмущений по данным сети SibNet приемников ГНСС в активных космических экспериментах // Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, № 4. С. 82-92. DOI: 10.12737/szf-34201708. Institut solnechno-zemnoj fiziki: sozdanie i razvitie. Ed. Zherebtsov G.A. [Institute of Solar-Terrestrial Physics: Foundation and Development. Ed. Zherebtsov G.A.]. Novosibirsk, SB RAS Publ., 2015. 610 p. (In Russian). Лебедев В.П., Хахинов В.В., Габдуллин Ф.Ф. и др. Исследование методами радиозондирования характеристик плазменного окружения низкоорбитальных космических аппаратов // Космонавтика и ракетостроение. 2008. № 1(50). С. 51-60. Ishin A.B., Voeykov S.V. Determination of the ionospheric responce parameters to the engine operation of spaceship “Progress” according to GNSS data Proc. XXIII International Symp. “Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics”. Irkutsk, July 3-7, 2017, pp. E85-E88. (In Russian). Сейсмоионосферные и сейсмоэлектромагнитные процессы в Байкальской рифтовой зоне / отв. ред. Жеребцов Г.А. (Интеграционные проекты СО РАН. Вып. 35). Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012. 304 с. Ishin A.B., Perevalova N.P., Voeykov S.V., Khakhinov V.V. First results of registering the ionospheric disturbances according to SibNet network of GNSS receivers in active space experiments. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terr. Phys.]. 2017, vol. 3, iss. 4, pp. 82-92. DOI: 10.12737/szf-34201708. (In Russian). Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П. и др. Радиофизические методы диагностики ионосферных возмущений, генерируемые бортовыми двигателями ТГК «Прогресс»: алгоритмы, инструменты и результаты // Журнал радиоэлектроники. Российская научная конференция «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой». Улан-Удэ, 06.09-10.09 2010 г.: Электронный сборник докладов. 2010. С. 553-569. Khakhinov V.V., Potekhin A.P., Lebedev V.P., Medvedev A.V., Kushnarev D.S., Shpynev B.G., Zarudnev V.E., Alsatkin S.S., Ratovsky K.G, Podlesny A.V., Bryn’ko I.G. Radio physical methods of diagnostics of the ionospheric disturbances generated by onboard engines of TCS “Progress”: algorithms, tools and results. Zhurnal radioelektroniki. Rossiiskaya nauchnaya konferentsiya “Zondirovanie zemnykh pokrovov radarami s sintezirovannoi aperturoi. Ulan-Ude, 06.09-10.09 2010. [J. Radio Electronics. Proc. The Russian Scientific Conference “Sounding of Terrestrial Covers Using Radars with the Synthesized Aperture. Ulan-Ude, 06.09-10.09, 2010]. 2010, pp. 553-569. (In Russian). Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П. и др. Результаты дистанционного зондирования ионосферных возмущений в активных космических экспериментах «Радар-Прогресс» // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9, № 3. С. 199-206. Khakhinov V.V., Potekhin A.P., Lebedev V.P., Alsatkin S.S., Ratovsky K.G, Kushnarev D.S., Tverdokhlebova E.M., Kurshakov M.Yu., Manzheley A.I., Timofeeva N.I. Results of remote sounding of ionospheric disturbances during active experiments Radar-Progress. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Current Problem in Remote Sensing of the Earth from Space]. 2012, vol. 9, no. 3. pp. 199-206. (In Russian). Хахинов В.В., Потехин А.П., Лебедев В.П. и др. Некоторые результаты активных космических экспериментов «Плазма-Прогресс» и «Радар-Прогресс» // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. 2013. Специальный выпуск. Т. 5, № 51. С. 160-163. Khakhinov V.V., Potekhin A.P., Lebedev V.P., Kushna-rev D.S., Alsatkin S.S. Some results of “Plasma-Progress” and Radar-Progress active space experiments. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akademika M.F. Reshetneva [Bull. Acad. M.F. Reshetnev Siberian State Space University]. 2013, Special Iss., vol. 5, no. 51, pp. 160-162. ISSN: 1816-9724. (In Russian). Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. New York; Wien: Springer-Verlag, 1992. 327 p. Khakhinov V., Potekhin A., Shpynev B., Alsatkin S., Ratovsky K., Lebedev V., Kushnarev D. Results of complex radiosounding of ionospheric disturbances generated by the transport spacecraft Progress onboard thrusters. Proc. 30th URSI General Assembly and Scientific Symp. 2011. URL: http://www.ursi.org/proceedings/procGA11/ursi/HP2-15.pdf (accessed 12.05.2017). Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Wasle E. GNSS - Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, Galileo and more. New York; Wien: Springer, 2008. 516 p. Khakhinov V.V., Shpynev B.G., Lebedev V.P., Kushna-rev D.S., Alsatkin S.S., Khabituev D.S. Radiosounding of ionospheric disturbances generated by exhaust streams of the transport spacecraft Progress engines. Proc. PIERS-2012. Moscow, 2012, pp. 1168-1171. Khakhinov V., Potekhin A., Shpynev B., et al. Results of complex radiosounding of ionospheric disturbances generated by the transport spacecraft Progress onboard thrusters. Proc. 30th URSI General Assembly and Scientific Symp. 2011. URL: http://www.ursi.org/proceedings/procGA11/ ursi/HP2-15.pdf (дата обращения 12.05.2017). Lebedev V.P., Khakhinov V.V., Gabdullin F.F., Korsun A.G., Tverdokhlebova E.M., Laletina E.A., Manzheley A.I. Radar Sensing Studies in Plasma Surrounding Characteristics for Low-Earth-Orbit Spacecraft. Kosmonavtika i raketostroenie [Cosmonautics and Rocket Engineering]. 2008, vol. 1, no. 50, pp. 51-60. (In Russian). Khakhinov V.V., Shpynev B.G., Lebedev V.P., et al. Radiosounding of ionospheric disturbances generated by exhaust streams of the transport spacecraft Progress engines // Proc. PIERS-2012. Moscow, 2012. P. 1168-1171. Potekhin A.P., Khakhinov V.V., Medvedev A.V., Kushnarev D.S., Lebedev V.A., Shpynev B.G. Active space experiments with the use of the transport spacecraft Progress and Irkutsk IS Radar. Progress in Electromagnetics Research Symp. 2009, pp. 223-227. Potekhin A.P., Khakhinov V.V., Medvedev A.V., et al. Active space experiments with the use of the transport spacecraft Progress and Irkutsk IS Radar // Progress in Electromagnetics Research Symposium. 2009. P. 223-227. Seismoionosfernye i seismoelektromagnitnye protsessy v Bajkal’skoi riftovoi zone. Ed. Zherebtsov G.A. [Seismoionospheric and seismoelectromagnetic processes in the Baikal rift zone. Ed. Zherebtsov G.A.]. Novosibirsk, SB RAS Publ. 2012, 304 p. (In Russian). URL: http://sopac.ucsd.edu (дата обращения 12 мая 2017 г.). URL: http://sopac.ucsd.edu (accessed May 12, 2017). URL: http://www.vniiftri-irk.ru (дата обращения 12 мая 2017 г.). URL: http://www.vniiftri-irk.ru (accessed May 12, 2017). URL: http://www.ipa.nw.ru (дата обращения 12 мая 2017 г.). URL: http://www.ipa.nw.ru (accessed May 12, 2017).