Исследование ионосферных неоднородностей методами нелинейного анализа

Ответственный исполнитель: Капытин В.И.

Проект посвящен исследование фрактальной структуры развитой турбулентности ионосферы в естественных условиях путем применения и развития методов нелинейного анализа.

Цель проекта

Цель проекта: исследование фрактальной структуры развитой турбулентности ионосферы в естественных условиях, идентифицирование ионосферных возмущений от гео-гелиофизических источников.

Задачи проекта

Задача 1 – Развить теоретические основы исследования мультифрактальной структуры ионосферных неоднородностей.

Для реализации задачи 1 рассматривается математическое моделирование временных рядов с помощью вейвлет и фрактального анализа. Данное комплексное применение дает более полную информацию об исследуемом процессе,описанном временными рядами. Основной алгоритм обработки заключается в определении показателей хаотичности с помощью фрактального анализа и оценке особых состояний системы с помощью вейвлет преобразования. Закладываются теоретические основы исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования ионосферы сигналами GNSS в естественных условиях.

Задача 2 – Разработать программное обеспечение для расчета стохастических характеристик аттракторов и вейвлет-коэффициентов.

Для реализации задачи 2 будет применено численное моделирование разработанных алгоритмов расчета стохастических характеристик аттракторов и вейвлет-коэффициентов. Будет создано программное обеспечение для расчета этих характеристик с учетом оптимизации алгоритмов. Анализ вейвлет- коэффициентов позволяет выявить нестационарности исследуемого процесса на любых частотно-временных масштабах, и тем самым получить как качественные, так и количественные характеристики нестационарности. Анализ фрактальных размерностей предоставляет количественную оценку хаотичности исследуемого процесса.

Задача 3 – Исследовать фрактальную структуру ионосферной турбулентности, идентифицировать ионосферные возмущения от гео-гелиофизических источников.

Для реализации задачи 3 будет проведено исследование фрактальной структуры ионосферных неоднородностей с использованием методов нелинейного анализа путем применения программного обеспечения для расчета стохастических характеристик сигналов и вейвлет-коэффициентов.

Полученные результаты на 2024 год:

Разработан набор основных и вспомогательных скриптов для вычисления корреляционной размерности, корреляционной энтропии и максимального показателя Ляпунова в контексте геофизических данных. Включена возможность предварительной обработки, удаления выбросов, оценка качества данных, возможность применения к данным техник адаптивного разложения по модам (VMD, CEEMD). Предусмотрена возможность проведения мультифрактального анализа. Разработан набор основных и вспомогательных скриптов для расчета вейвлет-коэффициентов применительно к геофизическим данным. Разработанное ПО предоставляет комплексные инструменты для анализа нелинейных возмущений в ионосфере, комбинируя возможности адаптивного вейвлет-преобразования и мультифрактального анализа. Необходимые скрипты реализованы на языке программирования Python. Новизна разработанного программного обеспечения заключается в его комплексном подходе к нелинейному анализу геофизических данных, объединяющем широкий спектр методов для углубленного исследования временных рядов. В отличие от стандартных методов, данный инструментальный комплекс предлагает: 1) Расширенные возможности для анализа нелинейных характеристик ионосферы; 2) Интеграцию адаптивного разложения по модам (VMD, CEEMD); 3) Возможности мультифрактального анализа; 4) Автоматизированная предобработка данных; 5) Гибкость в настройках анализа и визуализации.