CC BY
10
УДК 004.428
Барсуков А.И.1, Скрипачев В.О.2, Суровцева И.В.2, Тихомирова Н.А.2
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», г. Москва, Россия 2 Московскии технологическии университет (МИРЭА), г. Москва, Россия
КОМПЛЕКСНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ БОРТОВОЙ НАУЧНОЙ АППАРАТУРЫ
АННОТАЦИЯ
Представлены результаты обработки данных бортовой научной аппаратуры КА DEMETER и КА CHAMP по разработанному алгоритму для изучения природных явлений, связанных с сейсмической активностью. Предложен комплекс вычислительных программ, созданных на разных языках программирования,учитывая специфику данных измерений космических аппаратов и поставленных научно-исследовательских задач.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Космический аппарат; бортовая научная аппаратура; обработка данных; электронная плотность; землетрясение; алгоритм; вычислительная программа.
Barsukov A.I.1, Skripachev V.O.2, Surovtseva I.V.2, Tikhomirova N.A.2
National research university «Higher school of economics», Moscow, Russia 2 Moscow Technological University (MIREA), Moscow, Russia
COMPLEX APPLYING OF COMPUTATIONAL PROGRAMS FOR SCIENTIFIC ON-BOARD
APPARATUS DATA PROCESSING
ABSTRACT
The results of scientific on-board DEMETER and CHAMP apparatus have been introduced, using the developed algorithm for analysis of natural seismic activity connected events. The complex of computational programs created in different programming languages has been suggested according to particular characteristics of satellite measurement data and set scientific problems.
KEYWORDS
Satellite; on-board apparatus; data processing; electron density; earthquake; algorithm; computational software.
С помощью демонстрационных и моделирующих средств информационных технологии посредством разработки алгоритмов, с последующеи их реализациеи в научном программном обеспечении, можно получать значимые результаты для изучения природных процессов и явлении.
Природные явления, связанные с сеисмическои активностью, проявляются не только в литосфере и в атмосфере, но и ионосфере, где они наблюдаются за несколько часов или днеи как до, так и после землетрясения [2]. Поэтому очень важно иметь информацию о предвестниках сейсмической активности с целью предопределения и предотвращения этого опасного явления.
Эксплуатация на орбите целевои научнои аппаратуры позволяет получать достаточное количество измерении, обработка которых проводится с применением комплекса вычислительных программ.
В настоящеи работе, учитывая специфику данных космического аппарата (КА) DEMETER и КА CHAMP, предложен комплекс вычислительных программ, созданных на разных языках программирования, таких как IDL,JAVA, VBA [1, 3, 8].
Для изучения процессов, предшествующих землетрясениям и возбуждающих электромагнитные волны в верхнеи атмосфере, 29 июня 2004 г. в 6:30 (UT) с космодрома Баиконур на круговую орбиту ~ 700 км был запущен французскии малыи (массои ~130 кг) КА DEMETER, которыи проработал на орбите до конца 2010 года. Немецкии КА CHAMP был запущен 15 июля 2000 г. с космодрома Плесецк и предназначался для изучения атмосферы и ионосферы. Высота его орбиты варьировалась от 370 до 320 км. КА проработал до середины 2010 года.
В составе установленнои на борту КА DEMETER и КА CHAMP научнои аппаратуры, имеется Лэнгмюровскии зонд ISL для измерения электроннои температуры, концентрации электронов и ионов в ионосфернои плазме.
С сайта earthquake.usgs.gov получен список землетрясений, произошедших в период, когда работали оба космических аппарата, имеющих магнитуду не менее 7 баллов, глубину эпицентра не более 50 км. Под эти критерии подошли 43 события.
Данные КА CHAMP взяты с саита isdc.gfz-potsdam.de, а данные КА DEMETER - с саита cdpp-archive.cnes.fr. Результаты измерении были в виде заархивированных фаилов формата «dat». Для каждого землетрясения они собирались за период: начиная 14 сутками до землетрясения и заканчивая 7 сутками после события.
Для уменьшения объема анализируемых исходных данных отбирались траектории пролета КА, находящиеся от эпицентров на расстоянии, не превышающем р . Расчет расстояния р проводился с учетом оценки зоны подготовки землетрясения [7]:
где р - радиус зоны подготовки землетрясения; M - магнитуда предполагаемого события.
Расстояние между КА и эпицентром рассчитывалось по формулам, указанным в [5].
Для поиска сеисмо-ионосферных возмущении по данным концентрации электронов, полученных с борта КА, применялся метод наложения эпох [4]. Для этого в качестве параметров были взяты средние за день значения электронной плотности, полученные в окрестности эпицентра землетрясения в течение нескольких дней до и после события, с КА CHAMP и КА DEMETER. Массивы ежедневных значении концентрации электронов были преобразованы в формат .xlsx.
Для обработки данных научнои аппаратуры авторами были разработаны и последовательно использованы программы визуализации и отбора данных КА, а также программа, реализующая метод наложения эпох.
С помощью первои программы строилась графическая визуализация пространственных (географических) данных КА CHAMP и КА DEMETER (рис.1), что позволило увидеть траекторию полета аппарата относительно эпицентра для каждого полувитка, а измерения, выполняемые бортовои аппаратурои КА в указанных раионах, сохранялись в виде текстовых фаилов.
На рисунке 1 треугольником обозначен эпицентр землетрясения, произошедшего 12.05.2008г., кривая - траектория полета КА, также изображены очертания поверхности суши.
Полученные текстовые фаилы являлись исходными данными для второи программы, реализующеи метод наложения эпох.
На рисунке 2 представлен алгоритм обработки данных бортовои научнои аппаратуры КА DEMETER и КА CHAMP с целью выявления аномалии в показаниях электроннои плотности в выбранном временном интервале.
Рис.1. Графическая визуализация траектории КА DEMETER
^ ] ¡ачало
I laöop j|:i;injjüB с наилюлгния.мл
Да
3
о
Да
Да
Да
liaöop ¡Mj | -14 -сj.^7]
Рис.2. Алгоритм обработки данных бортовой научной аппаратуры КА DEMETER и КА CHAMP Таким образом, применительно к значениям электронной плотности, для некоторой
временной окрестности каждого случая землетрясения, программно был реализован предложенный метод.
В общем случае его можно описать так: пусть есть список событий Ai, 1<i<n. Каждому событию Ai соответствует набор наблюдении Ei, которые были сделаны во временнои окрестности (dayAi - a, dayAi + b): dayAi обозначает день, когда случилось событие Ai; a и b не зависят от i и являются постоянными. Далее, для каждого события Ai создается набор величин {Mij |-a<j<b}, где Mij - это среднее значение рассматриваемого параметра среди наблюдении, принадлежащих Ei и сделанных в j-и день относительно дня Ai. Затем осуществляется «наложение эпох», а именно, создается набор величин Mj, где
Mj = 1-?ï=1Mij.
То есть величина Mj является средним значением рассматриваемого параметра в j-и день среди всех землетрясении. После применения метода наложения эпох к данным космических аппаратов были получены соответственно два набора величин {Mj}.
По результатам работы программы, реализующеи метод наложения эпох, было выявлено, что значимых возмущении для анализируемои выборки не наблюдалось.
Тем не менее, существуют землетрясения, для которых были получены выбросы, не связанные с солнечнои активностью, и которые произошли за несколько днеи до сеисмического события. Выбросы выявлены как для КА DEMETER, так и для КА CHAMP, посредством вычислительнои программы.
На рисунках 3, 4 приведены результаты интервальнои оценки значении электроннои плотности для каждого КА для землетрясения, произошедшего в Кот д'Ивуаре 28.06.2007г.
Рис.3. Интервальная оценка электронной плотности для КА CHAMP, стрелкой обозначен день землетрясения
DEMETER - 23.06.2007
Рис.4. Интервальная оценка электронной плотности для КА DEMETER, стрелкой обозначен день
землетрясения
При этом m - среднее значение выборки, а - стандартное отклонение значении, tß = 1.79 -коэффициент, задающий границы доверительного интервала для ß = 90% — 95% [6].
На графиках (рис.3, 4) видно, что на -13 сутки перед землетрясением с вероятностью не меньшеи 0.95 наблюдается повышение электроннои плотности. Но 15.06.2007г. ЛГр-индекс был равен 2, т.е. солнечная активность была очень низкая. Значит, превышение концентрации электронов могло быть связано с сеисмическои активностью.
Для валидации данных научной аппаратуры космических аппаратов со значениями, полученными по модели ионосферы IRI-2012, создан программный модуль, который обращается к ресурсам виртуальной обсерватории ионосферы, термосферы и мезосферы (VITMO) по адресу http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo (рис. 5).
Программный модуль формирует HTTP запрос типа GET к удаленному серверу VITMO и ресурсу модели ионосферы (http://omniweb.gsfc.nasa.gov/vitmo/iri2012_vitmo.html), базируясь на данных, соответствующих дате, времени и координатам КА, для которых проводились измерения
бортовой научной аппаратурой. Полученные по результатам расчета модели ионосферы Ш1-2012 параметры сохраняются в текстовых файлах.
*■ С bmNv«tiosfc.naa,oov 1 ,-иi^i. -, ■■■ t im О ^ =
Virtual Ionosphere. 7hetmosphere. iiesogAtn Observatory (УТТИО)
International Reference Ionosphere - IRI-2Ü12
ояуакШ'Дывдп«!
N»1. Ii 1,1,- Г . J»(i 'I,- toofeum«':*-*- ."C.'iliLi'ISi. ihni iT 'RM юкМ wi be amr4 >1
Mendt .Jmjj'r ■ DpilM): 01 Тшк Ut-toI- Krarfévy <>.s ! i. IS
* Selwb ConrdjMl« CnrituMlir* .
LMiMeWtiiim-WloTO).»_ Lu4Hd*MU..fo™0 h-360MC
Hnjv ftm. SO w &><№ » I'Tf'
• I » P.»ЛЬ. lyp» щЛ ill par«n««ï
н^ичм»-aaii » Stat'im sicp2i»o. sterna«)
El« Im „MI bo—A-y .Im , tea, 50. ■ ШВ !
Ne lapa* NeOuri ■ F |it .il; reml-l 'JRSI ■ Ii И Mnm in»dcl un •
АщЫЬдчИкт " ■ f.F—,u.J.r.IB,m^«l • ?f.Р-К-в».. В» •
T* TqindF ТВТ-2Ш2 • 1« Со шрота пи PevlOTTSEB •
W«*- l'wt nuv if««* îk fas рщшл1гг! «üf tor ¿t:-äp rvr* 'Ниebt'
EI pint 4™un (NmFJl im J Ü0ä. M !j er H pluan fie^iiruv tfoFM.MJbÇ..MJ 0
l"Jp».ilih«Blu(lii«F!K lonCffl». - 1000 I or IVipi j«nmi Готог МрООЩП 11 ; - 4)0 E prik itiisirv IN nil, n1-! <20 - lift « К Имя» Ireinenty (Wfl. MHi Ö 1-И.Щ Г pe*k kriüfc Hhrnf i km 170 -200 1 0
• StJol auiiiatfoim
Рис.5. Скриншот сайта VITMO
Таким образом, в работе представлены результаты комплексной программной обработки данных бортовой научной аппаратуры КА DEMETER и КА CHAMP, предназначенной для обнаружения электромагнитной эмиссии над сейсмоактивными регионами.
Разработаны и последовательно использованы программы графическои визуализации пространственных (географических) данных КА, наглядно представляя траекторию полетов аппаратов относительно эпицентра землетрясения для каждого полувитка, а также программа, реализующая метод наложения эпох по описанному алгоритму обработки данных измерении.
Демонстрационными средствами информационных технологии показаны результаты интервальнои оценки значении электроннои плотности с каждого КА для выбранного сеисмического события, а моделирующие средства позволили провести валидацию данных научной аппаратуры космических аппаратов.
Руководитель научной работы: Полушковский Юрий Александрович, к.т.н, доцент. Научный консультант: Пирхавка Алексей Петрович, к.т.н., доцент.
Литература
1. Герберт Шилдт. Java 8. Полное руководство. Издательство: Вильямс. 2015. - 1376 с.
2. Завьялов А.Д. Среднесрочный прогноз землетрясений: основы, методика, реализация; Ин-т физики Земли им. О.Ю.Шмидта.- М.: Наука, 2006. - 254 с.
3. Кузьменко В.Г. VBA. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2015. - 624 с.
4. Липеровская Е.В. Применение численного моделирования - метода Монте-Карло при анализе сейсмоионосферных эффектов / Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений: IV междунар. конф., с. Паратунка Камч. обл., 14-17 авг. 2007 г.: сб. докл. Доп. - Петропавловск-Камч.: ИКИР ДВО РАН, 2007. - с.32-54
5. Скребушевский Б.С. Управление полетом беспилотных космических аппаратов. - М., «Владмо», 2003. - 436с.
6. Теория вероятностей: Учеб. Для вузов/ Е.С. Вентцель. - 8-е изд. - М.: Высш. шк., 2002. - 575 с.
7. Dobrovolsky I.P., Zubkov S.I. and MiachkinV.I.: 1979, Estimation of the size of earthquake preparation zone, Pure Appl.Geophys. 117, 1025-1044.
8. Gumley L.E. Practical IDL Programming. Morgan Kaufmann, 2001, 508 p.
References
1. Gerbert Shildt. Java 8. Polnoe rukovodstvo. Izdatel'stvo: Vil'yams. 2015. - 1376 c.
2. Zav'yalov A.D. Srednesrochnyy prognoz zemletryaseniy: osnovy, metodika, realizatsiya; In-t fiziki Zemli im. O.Yu.Shmidta.-M.: Nauka, 2006. - 254 s.
3. Kuz'menko V.G. VBA. - M.: OOO «Binom-Press», 2015. - 624 s.
4. Liperovskaya E.V. Primenenie chislennogo modelirovaniya - metoda Monte-Karlo pri analize seysmoionosfernykh effektov / Solnechno-zemnye svyazi i predvestniki zemletryaseniy: IV mezhdunar. konf., s. Paratunka Kamch. obl., 14-17 avg. 2007 g.: sb. dokl. Dop. - Petropavlovsk-Kamch.: IKIR DVO RAN, 2007. - s.32-54
5. Skrebushevskiy B.S. Upravlenie poletom bespilotnykh kosmicheskikh apparatov. - M., «Vladmo», 2003. - 436 s.
6. Teoriya veroyatnostey: Ucheb. Dlya vuzov/ E.S. Venttsel'. - 8-e izd. - M.: Vyssh. shk., 2002. - 575 s.
7. Dobrovolsky I.P., Zubkov S.I. and MiachkinV.I.: 1979, Estimation of the size of earthquake preparation zone, Pure Appl.Geophys. 117, 1025-1044.
8. Gumley L.E. Practical IDL Programming. Morgan Kauf-mann, 2001, 508 p.
Поступила 14.10.2016г.
Об авторах:
Барсуков Алексей Игоревич, магистрант 1 года обучения факультета компьютерных наук Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ), barsukov1995@gmail.com;
Скрипачев Владимир Олегович, к.т.н., доцент кафедры «Информационные космические системы» Московского технологического университета (МИРЭА), skripatchevv@inbox.ru;
Суровцева Ирина Вячеславовна, инженер научного центра Московского технологического университета (МИРЭА), irinavsur@yandex.ru;
Тихомирова Наталия Александровна, магистрант 1 года обучения института радиотехнических и телекоммуникационных систем Московского технологического университета (МИРЭА), nat51950181@yandex.ru.
