CC BY
57
УДК 004.67 Климов П.М.
Байкальский государственный университет экономики и права
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ АНАЛИЗА ИОНОСФЕРНЫХ ТОКОВЫХ СИСТЕМ.
Аннотация. В статье рассматриваются подходы и методы для расчёта ионосферных токов, усиливающихся во время солнечных вспышек и представляющих угрозу для космических аппаратов. Дана блок-схема программы, реализующая метод токовых векторов и описаны её функциональные модули. Приводятся результаты расчётов, которые сравниваются с расчётами, выполненными по другому алгоритму.
Ключевые слова. Ионосферные возмущения, вариации геомагнитного поля, программа вычисления и построения карт токовых векторов
1. Описание предметной области и постановка задачи.
В последние годы одной из актуальных тем в исследованиях околоземного космического пространства является проблема космической погоды. Актуальность проблемы определяется тем, что с ростом применения спутниковой связи, различного рода навигаторов, важно знать состояние ионосферы Земли - слоя заряженных частиц на высотах 90 -250 км. Этот слой определяет особенности распространения радиоволн различного диапазона частот. Состояние ионосферы зависит от мощности и характера солнечного электромагнитного излучения. Солнечные вспышки являются источником резкого возрастания электромагнитного излучения, что приводит к мощным возмущениям ионосферы земли и развитию ионосферных токов (до 106 А) [1]. В свою очередь, резкие изменения токов вызывают вариации геомагнитного поля Земли. К настоящему времени разработаны методы анализа ионосферных токовых систем по вариациям геомагнитного поля, регистрируемых на специально созданной мировой сети магнитометров. Эта сеть получила название Интермагнет (Intermagnet). Данные, размещаемые в сети по единому формату IAGA 2002 доступны для всех исследователей [2].
Основной проблемой при решении практических задач становится отсутствие свободного программного обеспечения для расчёта токов. Кроме того, возникают и специальные задачи, потому что каждый эксперимент уникален. Поэтому зачастую для определенного эксперимента необходимо разрабатывать новую программу. Из всего выше сказанного актуальность применения объектноориентированного подхода становиться очевидной т.к. обеспечивает программе обработки данных большую возможность для расширения круга решаемых задач.
2. Анализ методов обработки данных
Для изучения пространственных особенностей вариаций геомагнитного поля эффектов солнечной вспышки (SFE), вызываемых ионосферными токами, в практических исследованиях используются следующие методы.
Метод сферического гармонического анализа (СГА). Для построения карты эквивалентных ионосферных токов используется сферический гармонический анализ [3]. Он основан на решении уравнения Лапласа
ад n (r
Ve (r,9,l) + Vi (r, вЛ) =
n=1 m=0 v R ад n f p )
+RFZlRI (im cos mX + im sin mX)P™ (cos в)
n=1 m=0 v ri )
Здесь ,em,1^,im, сферические гармонические коэффициенты, которые определяют внутреннюю и
внешнюю части потенциала, обозначенные в уравнении (3) символами i или е.
Полагая, что токи текут в бесконечно тонком сферическом слое на высоте he ионосферы по коэффициентам EnX и eтX' можно определитьтоковую функцию
Je (в,Х) = -^ E'E2n~7 f З) mX+ f sin mX) Pn (cos0) (2)
™ n m n + 1 vR)
Здесь Ге = R + he
Методика расчёта коэффициентов и построения двумерных (2D) карт токов представлена в [3]. Метод сферического гармонического анализа более точен, чем метод построения карт токовых векторов. Однако он требует большой подготовительной работы и специального программного обеспечения, разработка которого выполнена в институтах Академии Наук [3]. Далее для сравнения расчётов, выполненными по разрабатываемой автором программе, будут использованы готовые расчёты [3].
Метод построения карт токовых векторов. Согласно методике, описанной в [4] для построения карты векторов тока из текущей вариации геомагнитного поля вычиталась вариация, обусловленная Sq токами спокойного дня. Для каждой обсерватории вычислялись величины
AH = 4АХ 2 +AY2 (3)
и 5 = arctg(AY/AX) (4)
Вычисленные значения АН и 5 служили оценкой величины и направления эквивалентного тока, протекающего над обсерваторией, которые наносились на карту в географической системе координат. Этот метод, уступая в точности СГА, позволяет создать удобный и технологичный инструмент для быстрых расчётов и мониторинга.
Для решения поставленной задачи выполнен анализ языков программирования и выбран наиболее подходящий, по нашему мнению, IDL, поскольку первоначальная версия модернизируемой программы, была написана на этом языке[5,6]. Это интерпретируемый язык программирования, предназначенный для визуального представления данных. Язык имеет множество средств для создания графиков различной сложности. Основными минусами данного языка является низкая скорость работы, недостаточный контроль за памятью, отсутствие инструментов объектного подхода.
3. Структура и функции программы
Программа состоит из 2 основных пакетов и также 6 дополнительных. Дополнительные модули предназначены для решения вспомогательных задач таких как выборка станций определенной широты и долготы. На рис.1 показана структурная схема модулей программы, при этом основные модули
(Em cos mX + em sin mX)Pm (cos в) +
(1)
n
n+1
выделены более жирной рамкой. Подобная структура обеспечивает модернизируемой программе хорошие возможности к последующему расширению.
Взаимодействие между модулями может быть прямым (сплошная линия на рисунке) и непосредственно через файловую систему (пунктирная линия), которая служит иерархической базой данных для модернизируемой программы.
Как видно на Рис. 1, основные модули это обработка данных, визуализация данных, а также основная форма.
Функциональность каждого модуля:
Модуль «основной формы» является посредником между модулями, отображает текущее состояние базы данных, предупреждает пользователя об ошибочных данных.
Модуль «формирование карты векторов» обрабатывает файлы с данными согласно описанной методике и производит их сохранение.
Модуль «визуализации» по обработанным данным отображает карту векторов и создает файлы с изображениями в формате gif.
Модуль «выборки» отображает оконную форму, позволяющую пользователю указать диапазон широт и долготы, производит выборку станций из указанного диапазона.
Модуль «настроек» отображает оконную форму для редактирования файла настроек, сохраняет сделанные изменения.
Модуль «представления графиков» отображает форму, строит графики данных для выбранной станции
Модуль «преобразования форматов» преобразует формат файлов указанных пользователем к промежуточному формату и производит усреднение по заданному количеству строк.
Модуль «справки» отображает справочную информацию и информацию о проекте.
Модуль «расчета среднего» выполняет подсчет среднего значения по файлам в указанной пользователем папке.
Тестирование показало, что программа корректно работает на минимальных системных требованиях и независима от программного обеспечения (статическая компоновка)[7].
Как и любое современное программное обеспечение, данная программа снабжена соответствующей документацией. Документация включает справочную информацию о программе, руководство пользователя, оформленное в соответствии со стандартом ISO.
4. Сравнение результатов применения метода сферического гармонического анализа и метода построения карты векторов.
На Рис.2 приведено сравнение рассчитанных двумя способами карт ионосферных токов для мощной солнечной вспышки 07.09.2007. Как видно наблюдается неплохое соответствие между результатами, полученными с помощью программ, реализующих разные алгоритмы вычисления ионосферных токов [8]. Поэтому предлагаемая программа вычисления ионосферных токов может использоваться для оперативного мониторинга токовых систем ионосферы.
ЛИТЕРАТУРА
1. МитраА. П. Ионосферныеэффектысолнечныхвспышек. М., Мир, 1977,278 с.
2. International Real-time Magnetic Observatory Network.
http://www.intermagnet.org/Welcom_e.php
3. Базаржапов А.Д., Матвеев М.И., Мишин В.М. Геомагнитные вариации и бури. Наука. Новосибирск, 1979.
4. Dmitriev A.V., H.-C. Yeh. Geomagnetic signatures of sudden ionosperic disturb-ances during extreme solar radiation events. J.Atmos. Terr. Phys.// 2008. v.70 No.15. P. 1971 - 1984
5. Аммерал Л. Принципы программирования в машинной графике. Пер. с англ. - М.: «Сол Си-
стем», 1992. -224с.:Ил.
6. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование. Пер.С англ.- М.: «Издательство Бином», СПб.: «Невский диалект», 2000.-560с., ил.
7. Тамре Л. Введение в тестирование программного обеспечения.: пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильямс", 2003. - 368 с.: Ил. - Парал. Тит. Англ.
8. Parkhomov V.A., Dmitriev A.V., Klimov P.M. SPATIAL FEATURES OF SFE CURRENT SYSTEMS AND GEOMAGNETIC PULSATIONS PSFE RELATED TO GAMMA RADIATION FROM SOLAR FLARES. In book:Gamma Rays. Technology, Applications and Health Implications. New York, 2013, 345 p.
Настройки программы Представление графиков Выборка и поиск станций
т
Усреднение и преобразование форматов Основная форма Предоставление справочной информации
1
Формирование карты векторов Визуализация данных Составление средней напряженности магнитного поля
Рис. 1 Блок-схема структуры программы«Вектор».
помощью программы «Вектор» в максимум эффекта солнечной вспышки (SFE) в 17:53 UT (b) и карта эквивалентных токов, полученная с использованием метода СГА в тот же момент времени (с).
