SGOn tomografiavastaanotinverkon laajennus kohti 3D-ionosfääritomografiaa

SGO on tehnyt yhtäjaksoisesti ionosfääritomografiamittauksia viiden aseman ketjulla vuodesta 2002 alkaen. Mittauksissa vastaanotetaan ns. beacon-satelliiteista kahdella eritaajuudella (150MHz ja 400MHz) lähetettyä signaalia, joiden vaihe-erosta voidaan arvioida ionosfäärin elektronitiheyttä. Tähän asti SGO:n mittauksista on laskettu poikkeleikkaus elektronitiheydestä satelliitin lentoradan ja vastaanotinketjun välille.

Esimerkki SGO:n vuodesta 2002 operoimasta ionosfääritomografiamittauksesta. Vasemmalla ylhäällä on kuvattu beacon-satelliitin rata Skandinavian yli. Pisteet kartalla kuvaa vastaanottoasemia. Ylhäällä oikealla kunkin aseman mittaama vaihe-erokäyrä. Alhaalla vaihe-erosta inversiomenetelmällä laskettu ionosfäärin elektronitiheysjakauma.

Heinäkuun aikana SGO on asentanut Euroopan Aluekehitysrahaston rahoittamassa RLAB-hankeessa kehitettyjä uuden sukupolven RFsTomo1-vastaanottimia SGO:n mittausasemille. Kaiken kaikkiaan SGO on hankkinut kymmenen uutta vastaanotinta, joista neljä on nyt asennettu. Tarkoituksena on korvata SGO:n vanhat, vuosituhannen alusta asti toiminnassa olleet vastaanottimet ja täydentää Ilmatieteen laitoksen rakentamaa TomoScand-asemaverkkoa parantamaan verkon peittoa. 

RFsTomo1-vastaanotin edessä oikealla SGOn mittausasemalla Oulussa.

Esimerkkimittaus Kuusamoon heinäkuun lopulla asennetulta RFsTomo1-vastaanottimelta. 

Yhdessä GNSS-satelliittien (pääasiassa GPS-satelliitit) signaaleista laskettavan informaation kanssa voidaan beaconsatelliittidatoista laskea kolmiulotteinen elektronitiheysjakauma asemaverkon alueelle. Menetelmää on kehitetty yhteistyössä Ilmatieteen laitoksen kanssa.

3D-ionosfäärimittauksen periaate. Maanpinnalla olevilla GNSS- ja beaconsatelliittivastaanottimet keräävät tietoa signaalien muutoksista niiden kulkiessa ionosfäärin lävitse (Kuva: J. Norberg).

Välttämätön osa mittausta ovat toimivat beacon-satelliitit. SGO:n ionosfääritomografiamittaukset ovat nojanneet venäläisiin beacon-satelliitteihin, jotka ovat pikku hiljaa poistuneet käytöstä. Alunperin navigointitarkoitukseen laukaistut  venäläiset satelliitit on korvattu GLONASS-järjestelmällä, joka on venäläisten vastine amerikkalaiselle GPS-järjestelmästä. Tällä hetkellä aktiivisia kaksitaajuusbeaconeita ei ole montaa, mutta näköpiirissä on joitain beaconsatelliittien laukaisuja, kuten elokuussa 2017 laukaista kiinalainen CNES-1 satelliitti. 

Vuoden 2017 aikana Suomi on saanut ensimmäiset satelliittinsa Aalto-1 ja Aalto-2 avaruuteen ja seuraavana matkaan lähtee Suomi100-satelliitti. Nanosatelliitit ovat tekemässä edullisemmaksi omien beacon-lähettimien saamisen taivaalle tulevaisuudessa.

SGO:n uusien vastaanottimien mittauksia venäläisistä COSMOS-satelliiteista sekä kanadalaisesta CASSIOPE e-POP:sta:

http://www.sgo.fi/Data/Tomography/latestTomography.php

Ilmatieteen laitoksen TomoScand-vastaanotinverkko:

http://space.fmi.fi/MIRACLE/tomoscand/index.php

Sodankylä ionospheric tomography dataset 2003–2014

At Sodankylä Geophysical Observatory, we have made continuous ionospheric tomography measurements for one solar cycle. Because of this big database, we have written a dataset paper, and, the paper is now online as a discussion paper in Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems (an EGU journal).

The number of satellite overflights over the 
whole observation period with respect to 
minimum threshold elevation. 

In the paper, we show that ionospheric tomography results are modulated by the solar cycle, which can be seen from the analysed data. We have altogether measured over 66,000 flybys of the Russian COSMOS beacon satellites. For the analysis, we used only north-to-south flights, because they are along the SGO ionospheric tomography chain.

In the figure below, we have plotted the analysed total electron content (VTEC) values over Kokkola, Finland (averaged from 11-14 MLT). These are compared to the well-established Sun activity indices, the sunspot number and the solar flux index F10.7.

The paper is fully citable as:

Norberg, J., Roininen, L., Kero, A., Raita, T., Ulich, T., Markkanen, M., Juusola, L., and Kauristie, K.: Sodankylä ionospheric tomography dataset 2003–2014, Geosci. Instrum. Method. Data Syst. Discuss., 5, 385-404, doi:10.5194/gid-5-385-2015, 2015.

... and here's the abstract:

Sodankylä Geophysical Observatory has been operating a tomographic receiver network and collecting the produced data since 2003. The collected dataset consists of phase difference curves measured from Russian COSMOS dual-frequency (150/400 MHz) low-Earth-orbit satellite signals, and tomographic electron density reconstructions obtained from these measurements. In this study vertical total electron content (VTEC) values are integrated from the reconstructed electron densities to make a qualitative and quantitative analysis to validate the long-term performance of the tomographic system. During the observation period, 2003–2014, there were three-to-five operational stations at the Fenno-Scandinavian sector. Altogether the analysis consists of around 66 000 overflights, but to ensure the quality of the reconstructions, the examination is limited to cases with descending (north to south) overflights and maximum elevation over 60°. These constraints limit the number of overflights to around 10 000. Based on this dataset, one solar cycle of ionospheric vertical total electron content estimates is constructed. The measurements are compared against International Reference Ionosphere IRI-2012 model, F10.7 solar flux index and sunspot number data. Qualitatively the tomographic VTEC estimate corresponds to reference data very well, but the IRI-2012 model are on average 40 % higher of that of the tomographic results.

VTEC values over Kokkola averaged from 11-14 MLT 
versus corresponding IRI-2012 model values, 
sunspot number and solar flux index F10.7. 

Beacon satellite receiver for ionospheric tomography

Our latest development on USRP-based beacon satellite receiver has been accepted for publication in Radio Science. An early access version is available here. The project website is at Juha's personal page.

The reference is:
J. Vierinen, J. Norberg, M. S. Lehtinen, O. Amm, L. Roininen, A. Väänänen, P. J. Erickson and D. McKay-Bukowski, Beacon satellite receiver for ionospheric tomography, Radio Science, doi: 10.1002/2014RS005434.

... and here is the abstract:

Beacon satellite receiver for ionospheric tomography

We introduce a new coherent dual channel beacon satellite receiver intended for ionospheric tomography. The measurement equation includes neutral atmosphere and ionosphere propagation effects, relative errors in satellite and receiver clocks, and residual Doppler shifts caused by errors in the satellite ephemeris. We also investigate the distribution of errors for phase curve measurements and the use of phase curve measurements for limited angle tomography using the framework of statistical linear inverse problems. We describe the design of our beacon satellite receiver software, and present one possible hardware configuration. Finally, we present results obtained using a network of four newly developed receivers and compare the results with those of an existing ionospheric tomography network at Sodankylä Geophysical Observatory.