Патент на изобретение №2276392

(54) СИСТЕМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в национальных системах космического наблюдения. Заявлена система прогнозирования землетрясений, содержащая группировку космических аппаратов (КА) с высотой орбит, проходящих непосредственно через ионосферные образования. На каждом КА установлен измеритель электронной концентрации ионосферы, система регистрации измеряемых параметров и передачи результатов измерений на наземные пункты, средства наземной обработки сигнала и прогнозирования параметров землетрясения. Измеритель электронной концентрации ионосферы содержит неподвижный электрод, подключенный к корпусу космического аппарата, и подвижный электрод, периодически экспонируемый в ионосферную плазму. Система регистрации включает усилитель – синхронный детектор параметрически модулированного сигнала, пороговый элемент. По параметрам регистрируемого сигнала на средствах наземной обработки рассчитывают гипоцентр очага, ожидаемое время удара и магнитуду. Технический результат: повышение точности и достоверности прогноза землетрясения. 5 ил.

Изобретение относится к радиофизике и может найти применение в национальных системах космического наблюдения при дистанционном мониторинге природных сред для прогнозирования землетрясений.

Предсказание землетрясений базируется на анализе различных геофизических полей, изменяющих свои характеристики в потенциальном поле механических напряжений очага. Одним из чувствительных признаков-предвестников грядущего землетрясения являются электродинамические процессы, протекающие в околоземной плазме накануне землетрясения. По параметрам переходного колебательного процесса, как вариации плотности электронной концентрации в слоях ионосферы, определяют гипоцентр проекции очага на ионосферу и характеристики ожидаемого удара [см, например, “Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов”, Доклады конференции, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, М., 1998 г., стр.64-65, 109, 127-129, 138].

Известна система, реализующая способ обнаружения очагов землетрясений. Патент RU № 2217779, G 01 V 3/12, 9/00, 2003 г. – аналог, содержащая формирователь изображения участка ионосферы из отдельных регистрограмм плотности ее электронной концентрации путем квантования электростатического потенциала внешней поверхности космического аппарата, наводимого при его пролете непосредственно через области ионосферных образований; схему выделения методами пространственного дифференцирования контура на синтезированном изображении, схем спектрального и фрактального анализа сигнала внутри выделенных контуров, схему сравнения по совокупности вычисленных характеристик с эталонными. По результатам сравнения судят о принадлежности выделенного участка к проекции литосферного очага на ионосферу.

Недостатками аналога являются:

неадекватность (недостоверность) формирования изображения из отдельных регистрограмм ввиду разновременности их получения при существенной турбулентности ионосферы и как следствие искажение числовых характеристик синтезированной матрицы;

средства аналога не позволяют измерить и рассчитать параметры ожидаемого землетрясения;

все существующие космические аппараты имеют внутренние источники питания, “заземленные” на корпус. Создание дополнительного внешнего корпуса, изолированного от “заземленного”, представляет технические трудности.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению – прототипом является система, реализующая способ предсказания землетрясений, патент RU № 2205430, G 01 V 9/00, 2003 г., содержащая группировку низкоорбитальных КА с установленным на каждом из них измерителем электронной концентрации ионосферы в виде внешней оболочки космического аппарата как сферического конденсатора, накапливающего электростатический потенциал оседающих на ней ионов при полете КА через ионосферное образование, систему регистрации измеряемого параметра и передачи результатов измерений на наземные пункты, средства наземной обработки сигнала и прогнозирования параметров землетрясения.

В указанном техническом решении регистрируют волновой процесс, возникающий в ионосфере, в виде регистрограмм электростатического потенциала внешней поверхности космических аппаратов при их пролете непосредственно через области ионосферных образований на восходящих и нисходящих витках, вычисляют фазовый центр и период волнового процесса, определяют магнитуду М и время удара t_x из соотношений:

M=d/lgT₀+l,

где L=L₂-L₁ – разница пространственных периодов двух симметричных относительно траверзы полуволн регистрограмм. Траверза-перпендикуляр к трассе регистрограмм, проведенной в точке, где доплеровская частота измеряемого процесса равна нулю;

V – скорость акустических волн в ионосфере;

V_r – радиальная скорость движения измерителя относительно фазового центра волнового процесса;

d, l – коэффициенты регрессии.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

технические трудности реализации “незаземленной” внешней поверхности космического аппарата, на которой накапливается электростатический потенциал;

многопараметрическая зависимость расчетной магнитуды (М) от вычисляемых характеристик; М=М (Т₀, d, l, L₁, L₂, V, V_r) и как следствие увеличение результирующий ошибки как суммы относительных ошибок составляющих;

необходимость дополнительного визуального анализа графиков регистрограмм, снижающих точность расчета.

Задача, решаемая заявляемой системой, состоит в повышении чувствительности канала измерений, достоверности и точности определения прогнозируемых параметров землетрясения.

Технический результат достигается тем, что в системе прогнозирования землетрясений, содержащей группировку космических аппаратов с высотой орбит, проходящих непосредственно через ионосферные образования, с установленным на каждом из них измерителем электронной концентрации ионосферы, систему регистрации измеряемых параметров и передачи результатов измерений на наземные пункты, средства наземной обработки сигнала и прогнозирования параметров землетрясения, в отличие от известной, измеритель электронной концентрации ионосферы содержит неподвижный электрод, подключенный к корпусу космического аппарата, и подвижный электрод, периодически экспонируемый в ионосферную плазму за счет электромеханической вибрации, а система регистрации включает усилитель-синхронный детектор параметрически модулированного сигнала, пороговый элемент, связанный с программируемой схемой выборки измерений, которая связана также с последовательно подключенными измерителем электронной концентрации ионосферы, усилитель-синхронным детектором параметрически модулированного сигнала, пороговым элементом, устройствами регистрации измеряемых параметров и передачи результатов измерений на наземные пункты.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 – функциональная схема системы;

фиг.2 – распределение электронной концентрации в слоях ионосферы по высоте;

фиг.3 – изменение критической частоты слоя F2 (электронной концентрации); а) в невозмущенном; b) сейсмически возмущенном состоянии;

фиг.4 – регистрируемая функция сигнала;

фиг.5 – динамика турбулентности ионосферы накануне удара.

Функциональная схема системы фиг.1 содержит группировку космических аппаратов 1 типа “Вулкан” с установленным на каждом КА 2 измерителем электронной концентрации ионосферы 3 типа “Зонд”, подвижный электрод 4, который электромеханически экспонируется в набегающую при полете КА ионосферную плазму 5, а неподвижный электрод 6 подключен на корпус КА; на подвижный электрод 4 и неподвижный электрод 6 нагружено нагрузочное сопротивление R 7. Система регистрации включает усилитель-синхронный детектор 8 параметрически модулированного сигнала, пороговый элемент 9, связанный с программируемой схемой выборки измерений 10, которая связана также с последовательно подключенными измерителем электронной концентрации ионосферы 3, усилитель-синхронным детектором 8 параметрически модулированного сигнала, пороговым элементом 9, устройством регистрации измеряемых параметров – бортовой магнитофон 11 и устройством передачи результатов измерений на наземные пункты – телеметрической системой 12, которая посредством автономного радиоканала 13 связана с наземным пунктом приема информации (ППИ) 14. Программируемая схема выборки 10 связана с центром управления полетом 15 посредством бортового комплекса управления 16 и радиолинии управления 17.

Электромеханическое экспонирование приводит к протеканию части наведенного заряда через нагрузочное сопротивление R 7, параметрически модулированный сигнал с которого, после усиления и синхронного детектирования схемой 8 типа “Заряд” подается на пороговый элемент 9. Величина порога задается программируемой схемой выборки измерений 10. При превышении установленного порогового уровня текущую величину сигнала, в виде регистрограммы измерений в функции времени, записывают на бортовой магнитофон 11 типа “Нива”. Записанные регистрограммы измерений сбрасываются в сеансах видимости КА посредством телеметрической системы 12 по автономному радиоканалу 13 на наземные пункты приема информации (ППИ) 14. Суточную программу проведения измерений над сейсмоопасными регионами планеты формируют в центре управления полетом 15 и закладывают посредством бортового комплекса управления 16 в программируемую схему выборки измерений 10 по радиолинии управления 17. Программируемая схема выборки измерений осуществляет синхронизацию работы элементов 3, 8, 9, 11, 12. Переданную с борта информацию на ППИ 14 записывают на наземный магнитофон типа “Арктур” и передают в Геофизический Центр обработки 18, где ведется архив 19 всех регистрограмм измерений на базе стримеров типа FT-120. Обработку текущих регистрограмм измерений осуществляют на ПЭВМ 20 в стандартном наборе элементов процессора 21, винчестера 22, оперативного ЗУ23 дисплея 24, принтера 25, клавиатуры 26. Результаты обработки регистрограмм отслеживаемых сейсмоопасных регионов помещают на сервер 27 сети “Интернет”.

Функционирует система следующим образом.

Накануне удара в литосфере происходит “раскачка” очага землетрясения. В приповерхностном слое атмосферы возникают акустолитосферные волны, которые при их распространении вверх служат “спусковым крючком” для возникновения плазменных (акустических) волн электронной концентрации в слоях ионосферы. Исходная электронная концентрация в слоях ионосферы иллюстрируется фиг.2. [см, например, “Космонавтика”, Энциклопедия. Под редакцией В.П.Глушко. М.: Издательство “Советская энциклопедия”, 1985 г., стр.143]. Зарегистрированные в ряде экспериментов плазменные волны электронной концентрации в слое F2 накануне землетрясения иллюстрируются графиками фиг.3 [см, например, “Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов”, Доклады конференции, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, М., 1998 г., стр.109]. За несколько часов до удара изменение критической частоты слоя F2 из-за изменения плотности электронной концентрации может достигать 40…50%. Скорость V акустических волн в ионосфере определяется параметрами плазмы и для слоя F2 с преобладанием ионов 0⁺ и температурой плазмы ˜1000 К (зимой) и 2000 К (летом) составляет [см, например, Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс об.щей физики, т.1. М.: Наука, 1964 г., стр.304]. Скорость космического аппарата на высоте слоя F2 составляет V 8,3 км/с, или на порядок превосходит скорость акустических волн в ионосферной плазме. Пронизывая с космической скоростью ионосферу, весь волновой процесс, охвативший ионосферу, можно наблюдать как бы одномоментно. Несколько раз обгоняя пространственную волну, измеритель, размещенный на КА, позволяет зарегистрировать весь процесс на одном проходе КА за укороченный интервал времени.

Хотя связь сейсмоионосферных аномалий с характеристиками ожидаемого землетрясения носит нелинейный характер, тем не менее с различной степенью достоверности можно утверждать о корреляционной зависимости параметров ионосферной аномалии: пространственной протяженности, направления распространения плазменных волн, турбулентности с характеристиками ожидаемого удара: местом, временем, магнитудой. Для повышения чувствительности измерительного канала используют параметрическую модуляцию сигнала с последующим усилением переменной составляющей. Оседающие на корпусе КА ионы при его движении в плазме образуют электростатический потенциал. При экспонировании подвижного электрода в плазму изменяется (фиг.1) емкость между подвижным электродом 4 и неподвижным электродом 6. Изменение емкости путем электромеханической вибрации подвижного электрода приводит к протеканию части заряда через нагрузочное сопротивление R7. Благодаря тому, что экспонирование осуществляется с частотой ˜300 Гц, обеспечивается высокое пространственное разрешение измеряемых плазменных волн, порядка .

После усиления и синхронного детектирования на выходе элемента 8 получают сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине электростатического потенциала между корпусом КА и подвижным электродом.

Рассмотренный метод измерений посредством элементов 3, 8 может быть реализован на существующей технической базе [см, например, “Датчик электрического поля Зонд-3”, Техническое описание, классификатор БЫ.2 714.003-01ТО, СССР, НПО ИТ, MOM, М., 1983 г, “Преобразователь Заряд”, Техническое описание, классификатор БЫ.2 008.043 ТО, СССР, НПО ИТ, MOM, М., 1983 г.].

Как следует из фиг.2, средний уровень электронной концентрации ионосферы днем или ночью различен. Для учета суточных изменений n_е и исключения ложной тревоги обнаружения очагов ионосферных аномалий в системе измерений используются два режима:

a) – сигнальный режим обнаружения ионосферных аномалий с амплитудой выше установленного порога;

b) – режим последующих измерений текущей турбулентности ионосферной плазмы.

Величина порового напряжения элемента 9 определяется суточной программой проведения измерений, закладываемой в программируемую схему выборки 10. Конструктивно схема выборки измерений 10 представляет собой отдельную плату, выполненную в виде контроллера, совместимого по стандартным сечениям с БЦВМ. Функционально схема 10 имеет постоянное ЗУ, в которое закладывается программа функционирования системы в виде стандартных 32- или 64-разрядных слов командной радиолинии 17. Каждое слово программы содержит временную часть и исполнительную часть. Во временную часть слова, записанного в ЗУ, поступают метки бортового времени. При совпадении записанного числа разрядов временной части с бортовым временем реализуется исполнительная часть слов программы. Схема выборки измерений 10 может быть выполнена на интегральной плате типа ЛА-20 [см, например, Якубовский Б.И др. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. М.: Радио и связь, 1990 г.]. В зависимости от широты и долготы района наблюдений, времени суток пороговая величина напряжения может оперативно изменяться по командам из ЦУПа 15. Для повышения достоверности обнаружения плазменных волн используют двухсторонний порог ограничения для n_emax и n_emin, выполненный по схеме [см., например, Справочник по радиоэлектронным устройствам, т.1, под редакцией А.А.Куликовского. – М.: Энергия, 1978 г., §4.3. Электронные ключи, стр.339-346]. Вид регистрируемого сигнала иллюстрируется фиг.4. Поскольку запись регистрируемого сигнала элементом 11 осуществляют в цифровой форме совместно с метками бортового времени, то географический район аномалии определяют по трассе полета КА. Каждая волна характеризуется вектором: направлением распространения и величиной энергии, переносимой в данном направлении. Энергия, переносимая ионосферной волной в плоскости орбиты, является проекцией полного вектора на данную плоскость. Космические аппараты группировки располагают так, чтобы отслеживаемые сейсмоопасные регионы можно было наблюдать на восходящих и нисходящих витках одновременно. Тогда проекции вектора полной энергии на плоскости восходящих и нисходящих витков задают направление на фазовый центр плазменных волн, который отождествляют с проекцией гипоцентра очага на ионосферу. Точка пересечения двух пар проекций однозначно характеризует фазовый центр ионосферных волн. Одним из параметров отслеживаемого процесса является скорость нарастания амплитуды регистрируемого сигнала. Нарастающая раскачка очага землетрясения в литосфере сопровождается возрастающей турбулентностью ионосферы. Огибающие изменения амплитуды ионосферных волн иллюстрируются графиками фиг.5. Эти функции получают, отслеживая изменение дисперсии сигнала (Д) по серии измерений на последовательных витках. По физической сущности дисперсия сигнала представляет собой мощность переменной составляющей, которую вычисляют по зарегистрированной регистрограмме как

где А_i – амплитуда i-го цифрового отсчета сигнала;

t – интервал регистрации сигнала.

Уравнение, связывающее функцию и скорость ее изменения во времени, является дифференциальным. Из математики известно [см, например, Н.С.Пискунов. Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, 5-е издание. – М.: Наука, 1964 г., стр.458], что общим решением линейного дифференциального уравнения первой степени является экспонента. Начальными условиями для экспоненты является постоянная времени Т и установившееся значение Д₀. Поскольку “вспарывание” очага в литосфере определяется динамическим напором, т.е. предельной прочностью земной коры, которая практически постоянна для различных землетрясений, то турбулентность ионосферы Д₀, при которой происходит удар, следует считать “const”. Из свойств экспоненты следует, что

где h₁, h₂ – значения экспоненты в серии двух последовательных во времени t₁, t₂ измерений. Разница в магнитуде ожидаемых ударов проявляется в разности постоянных экспонент Т₁, Т₂, если M₂>M₂, то T₂>T₁ (см. фиг.5). Время существования признака предвестника от момента возникновения плазменных волн до установившегося значения Д₀ отождествляют со временем ожидаемого удара. С доверительной вероятностью 0,99 (из свойств экспоненты) t_y4,7T.

В соответствии с зависимостью Гутенберга-Рихтера время существования признака предвестника определяет магнитуду ожидаемого удара:

lgt_y[сут]=0,54М-3,37.

Таким образом, система позволяет обнаружить (по превышению порога) район аномалии и рассчитать по параметрам регистрируемого сигнала характеристики ожидаемого землетрясения: гипоцентр, время и магнитуду.

Формула изобретения

Система прогнозирования землетрясений, содержащая группировку космических аппаратов с высотой орбит, проходящих непосредственно через ионосферные образования, с установленным на каждом из них измерителем электронной концентрации ионосферы, систему регистрации измеряемых параметров и передачи результатов измерений на наземные пункты, средства наземной обработки сигнала и прогнозирования параметров землетрясения, отличающаяся тем, что измеритель электронной концентрации ионосферы содержит неподвижный электрод, подключенный к корпусу космического аппарата, и подвижный электрод, периодически экспонируемый в ионосферную плазму за счет электромеханической вибрации, а система регистрации включает усилитель-синхронный детектор параметрически модулированного сигнала, пороговый элемент, связанный с программируемой схемой выборки измерений, которая связана также с последовательно подключенными измерителем электронной концентрации ионосферы, усилитель-синхронным детектором параметрически модулированного сигнала, пороговым элементом, устройствами регистрации измеряемых параметров и передачи результатов измерений на наземные пункты.

РИСУНКИ