CC BY
23
Скрипачев В.О.1, Назаренко А.С.2, Полушковский Ю.А.3
1 НТЦ «Космонит» ОАО «Российские космические системы», заместитель начальника
отдела, skrip atchevv@ inbox. ru
2 НТЦ «Космонит» ОАО «Российские космические системы», ведущий инженер
3 НТЦ «Космонит» ОАО «Российские космические системы», начальник отдела
Программное обеспечение обработки данных VLF-сигналов для мониторинга ионосферы
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
Ионосфера, приемник, VLF-передатчик, программное обеспечение, мониторинг, графический интерфейс.
АННОТАЦИЯ:
Рассмотрены возможности применения VLF сигналов (до 50кГц) для мониторинга состояния ионосферы. Источниками VLF сигналов являются свыше 20 сверх длинноволновых передатчиков, расположенных в разных регионах мира. Рассмотрены структура и возможности созданного программного обеспечения для оперативной работы с данными VLF, принятыми наземным приемником. Показаны дальнейшие направления по совершенствованию программного обеспечения.
Введение
Изучение структуры ионосферы важно как для понимания физики протекающих в ней процессов, так и для решения разнообразных прикладных задач, связанных с распространением радиоволн, мониторингом землетрясений и др. Исследование ионосферы проводится в следующих направлениях [1]:
10. Морфологическое рассмотрение структуры ионосферы, для чего требуются детальные и точные измерения мгновенных значений ряда ионосферных параметров. Такие методы применимы для изучения физики верхней ионосферы.
11. Определение состояния ионосферы и динамики ее изменений, требующее статистически репрезентативных полных рядов данных.
Один из способов исследования ионосферы основан на анализе характеристик сверхдлинноволновых (СДВ) радиосигналов, принимаемых наземными приемниками, источниками которых являются СДВ -радиопередатчики, работающие в диапазоне частот 10...50 кГц. Расположение Европейских СДВ-передатчиков показано на Рис. 1.
Экспериментально установлено, что среднесуточный объем данных по наблюдениям сигналов от ~25 постоянно работающих СДВ-радиопередатчиков мировой сети может составить несколько сот мегабайт, что обусловливает необходимость применения современных
информационных технологий для сбора и обработки результатов наблюдения.
Рис. 1. Расположение Европейских СДВ радиопередатчиков
Описание методики исследования ионосферы СДВ сигналами
В настоящее время исследование возмущений нижней ионосферы, в частности, по сигналам СДВ-радиопередатчиков осуществляется различными организациями. Широко используются данные, получаемые Центром солнечных исследований Стэнфордского университета, посредством территориально распределенной сети наземных СДВ-приемников (Рис. 2).
Методика заключается в приеме наземным радиоприемником сигнала СДВ-радиопередатчика, отраженного от слоев Е и D ионосферы (Рис. 3). В качестве аналогово-цифрового преобразователя, как правило, используется звуковая карта ПЭВМ с частотой дискретизации не менее 96 кГц. Высота отражения сигнала и степень его поглощения (затухания) ионосферой определяется различными гелиогеофизическими или антропогенными факторами, что проявляется в характеристиках принимаемого сигнала.
Рис. 2. Расположение существующих приемников СДВ-сигналов
r^HÉÉI |Щ
КИЛЯ
Рис. 3. Иллюстрация метода мониторинга ионосферы
Структура программного обеспечения
Для проведения экспериментов использован приемник Стэнфордского университета, работающий в частотном диапазоне 10...50 кГц. Прилагаемое к приемнику программное обеспечение (ПО), реализованное на языке Phyton, обеспечивает с 5-секундным интервалом сохранение оцифрованных данных, соответствующих частотам СДВ-передатчиков, указанных в конфигурационном файле. Особенностью работы ПО является однократное за сутки сохранение в различные файлы с предварительной селекцией измеренных параметров сигналов, что создает определенные трудности при проведении ряда экспериментов, связанных с необходимостью неоднократной в течение суток оперативной перенастройки системы. Для устранения названного недостатка разработано специальное программное обеспечение (СПО), выполняющее функции:
- корректировка конфигурационного файла с добавлением новых частот для диагностики возможного уширения спектра;
- селекция данных по частотам;
- слияние в один файл данных измерений по частотам в заданные интервалы времени.
СПО разработано с использование языка C/C++. Для построения графического интерфейса (GUI) использованы возможности кроссплатформенной библиотеки Qt, отличительной особенностью которой является возможность создания системы предварительной обработки исходного кода - Meta Object Compiler. Библиотека Qt широко используется в зарубежных космических проектах, выполняемых Европейским космическим агентством (ESA), американским Национальным агентством океанографии и атмосферы (NOAA) и др. Особенности библиотеки Qt подробно рассмотрены в [2, 3].
Для описания структуры программного обеспечения воспользуемся унифицированным языком моделирования UML (Unified Modeling Language), который применяется при графическом описании объектного моделирования в области разработки программного обеспечения. При этом UML является языком широкого профиля. Это открытый стандарт, использующий графические обозначения для создания абстрактной модели системы, называемой UML-моделью [4]. На Рис. 4 приведены диаграммы основных классов, обеспечивающих функции селекции и слияния данных - Parser и Concatenator и показаны их атрибуты и функции.
Parser Concatenator
-m_file: QFile -mjlel: QFile
-m_separator: QChar -m_file2: QFile
-m_datel: QString -mjeparator: QChar
-mjist: QStringList -fn_commentator: QChar
-mJistNameOfStations: QStringList -mJistOfValuesi: QVector <QStringList>
-mJistNameOfFrequencys: QStringList -m Jist0fValues2: QVector <QStringList>
-mJistOfValuesi QVector <QStringList> -m_result: QVector <QString>
-mjimes! QVector <QString> -mJiiTies: QVector <QString>
-mJistHead: QVector <QStringList>
«CppMacro»-0
-m_parser: Parser
«create>>-Parser(fileNamel: QStringr parent: QObject)
«destroy»-ParserQ <<CppMacro»-{)
+setFileName{name: QString): void «create»-Concatenator(fileNamel: QString, fileName2: QString, parent: QObject)
-KjpenQ: bool <<destroy> >-ConcatenatorQ
■fcalcTimeO: void +setFileName(namel: QString, name2: QString): void
+getTmeO: QVector <QString> -ksvReadFirst{): void
+trimCsvOtemsList; QStringList): QStringList -ksvReadSecondO: void
-KsvReadQ: void -HnixO: void
-KreateFilesQ: void ■foutputQ: void
+outputDataQ: void -hjeateResultfileQ: void
-HJoseQ: void -foutputlnConsoleQ: void
■HsOpenQ: bool <svReadFiie(fileName: QFile, listOfVaiues: QVector <QStringList>, listHead: QVector <QStringList>): void
Рис. 4. UML-диаграмма классов Parser и Concatenator
Разработанное СПО дополнено графическим интерфейсом пользователя (GUI), пример которого показаны на Рис. 5а и 5б.
Результатом работы СПО являются файлы данных, подлежащие дальнейшей обработке с помощью стандартных или специализированных программных пакетов, например Microsoft Excel или R [5].
Пример выполненной в Microsoft Excel визуализации результатов обработки суточных данных, полученных 24 и 25 августа 2013г. на частоте f=25.1 кГц, приведен на Рис. 6.
Из Рис. 6 видны значительные вариации мощности (Дб) принимаемого сигнала в утренние часы (UTC), что позволяет судить об особенностях ионосферных процессов при прохождении терминатора через зону отражения СДВ-сигнала от возмущенной области ионосферы.
Дальнейшее развитие разработанного СПО направлено на решение задачи обработки данных для выявления ионосферных возмущений путем автоматизации процессов с применением методов математической статистики, трехмерной визуализации, а также разработки методики валидации результатов измерений по данным бортовой научной аппаратуры космических аппаратов.
Разработанное СПО для обработки данных расширило возможности аппаратно-программного комплекса диагностики нижних слоев ионосферы по характеристикам сигналов СДВ-радиопередатчиков.
б)
ИЗ Processing Data
jElHIJ
Select Folderfbr saving
Concatenate
Рис. 5. Графический интерфейс пользователя в составе разработанного СПО, использующий классы Parser (а) и Concatenator (б)
Рис. 6. Пример визуализации обработанных данных, построенной в Excel
Литература
1. Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. - М.: Наука. Главная ред. физ-мат. лит., 1984.- 392 с.
2. Бланшет Ж., Саммерфилд М. Qt 4: Программирование GUI на C++. — М.: «КУДИЦ-ПРЕСС», 2007. — 648c.
3. Саммерфилд М. Qt. Профессиональное программирование. Разработка кроссплатформенных приложений на С++. — СПб.: «Символ-Плюс», 2011. — 560c.
4. Грейди Буч, Джеймс Рамбо, Айвар Джекобсон. Язык UML. Руководство пользователя = The Unified Modeling Language user guide. — 2-е изд. — М., СПб.: Питер, 2004. — 432 с.
5. Кабаков Р.И. R в действии. Анализ и визуализация данных в программе R. - ДМК Пресс, 2014, 579с.
