Создание системы сбора, обработки и машинного анализа больших объемов данных глобальных навигационных спутниковых систем для задач исследования околоземного космического пространства

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-77-20005

НазваниеСоздание системы сбора, обработки и машинного анализа больших объемов данных глобальных навигационных спутниковых систем для задач исследования околоземного космического пространства

Руководитель Ясюкевич Юрий Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук , Иркутская обл

Конкурс №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-608 - Ионосфера

Ключевые слова ГЛОНАСС, GPS, полное электронное содержание, ионосфера, возмущения ионосферы, околоземное космическое пространство, машинный анализ данных, компьютерное зрение

Код ГРНТИ37.15.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Исследование процессов в атмосфере Земли составляет одну из приоритетных задач мировой геофизической науки. Важным является исследование тонкой структуры ионосферы, т.к. именно интенсивные неоднородности приводят к существенным нарушениям в работе глобальных навигационных и других радиотехнических систем, использующих ионосферный канал. Это особенно актуально в связи с возрастающими требованиями к точности глобальных спутниковых навигационных систем (ГНСС) и необходимостью оперативного кон троля качества их работы. Данная задача входит в проблематику крупных современных международных программ (International Living with a Star Program, Climate and Weather of the Sun-Earth System, CEDAR). Исследования по данным программам координируются крупнейшими научными организациями (SCOSTEP, COSPAR, URSI, AGU, EGU и др.). В настоящее время в странах ЕС и США приняты беспрецедентные меры по расширению экспериментальных возможностей для исследования и мониторинга окружающего космического пространства, включая ионосферу Земли, наземными средствами. Стоит отметить, что задача создания модели ионосферных возмущений пока не решена. Это связано с большим количеством данных и отсутствием методик для решения таких задач с использованием машинного анализа. С текущим развитием технологий зондирования среды данных намного больше, чем может обработать человек-оператор в интерактивном режиме. Поэтому главнейшей задачей современной науки является создание инструментов, которые позволят справляться со всё возрастающим объёмом данных. Значимость проекта определяется тем, что будут реализованы механизмы сбора и анализа данных в области физики ионосферы, а это подготовит почву для создания модели ионосферных возмущений и модели ухудшения функционирования радиотехнических систем, использующих трансионосферный канал. В особенности это касается отечественной навигационной системы ГЛОНАСС, систем связи со спутниками и других наукоемких систем, в том числе современных радаров и систем КВ-связи. Основной задачей проекта является создание комплексной системы сбора, обработки и машинного анализа больших объемов данных глобальных навигационных спутниковых систем для задач исследования околоземного космического пространства. В том числе, разработка новых методов мониторинга состояния ионосферной плазмы в глобальном масштабе, включая территорию РФ, Арктики и Антарктики. Такая постановка задачи является принципиально новой для данной области исследования. Существующие попытки подобного анализа касались преимущественно изучения общей динамики отдельных областей, без учета средне- и мелкомасштабных вариаций параметров. В проекте же впервые планируется использовать методы машинного обучения для анализа именно неоднородной структуры ионосферы в глобальном масштабе по данным ГНСС. По нашему мнению использование машинного анализа приведет к серьезному продвижению в физике ионосферы и смежных областях, впервые предоставит достаточный материал для создания модели ионосферной возмущенности для оценки влияния возмущений на функционирование радиотехнических систем. Также, впервые планируется создать базу данных вариаций полного электронного содержания в глобальном масштабе с возможностью открытого доступа для широкого круга пользователей. Указанные данные могут широко использоваться для мультидисциплинарных исследований взаимосвязи различных геосфер. Открытость системы будет способствовать вовлечению максимально широкого круга исследователей из различных областей и созданию значительного продвижения или прорыва. Такой подход сейчас все шире используется в астрофизике и физике элементарных частиц, демонстрируя свою высокую эффективность. Достижимость поставленной задачи обусловлена наличием у авторов проекта задела по указанной тематике, состоящего в наличии методов, программ для работы с данными глобальных навигационных спутниковых систем, картирования вариаций ПЭС, а также методов машинного анализа. Заявленный коллектив обладает достаточной квалификацией. План работ разбит на отдельные задачи, пути решения каждой из которых понятны коллективу исполнителей и основаны на ранее разработанных авторами подходах и их модификациях. В составе коллектива 8 человек, включая 2х докторов наук, 3х кандидатов наук. Руководитель проекта удовлетворяет предъявленным требованиям. По результатам проекта планируются публикации статей в ведущих рецензируемых журналах в данной области и монографии, обобщающей результаты проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Жуков А.В., Сидоров Д.Н., Мыльникова А.А., Ясюкевич Ю.В. Поиск ключевых управляющих параметров для оперативного прогноза полного электронного содержания ионосферы Cовременные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, т. 15. № 3. с. 263–272 (год публикации - 2018)
10.21046/2070-7401-2018-15-3-263-272

2. Ясюкевич Ю.В., Астафьева Э.И., Падохин А.М., Иванова В.А., Сыроватский С.В., Подлесный А.В. The 6 September 2017 X-Class Solar Flares and Their Impacts on the Ionosphere, GNSS, and HF Radio Wave Propagation Space Weather, V. 16, P. 1013–1027 (год публикации - 2018)
10.1029/2018SW001932

3. Ясюкевич Ю.В., Веснин А.М., Затолокин Д.А., Сыроватский С.В., Демьянов В.В., Сергеева М.А. GNSS Scintillations in Siberia during 2014-2017 2018 2nd URSI Atlantic Radio Science Meeting, AT-RASC 2018, Номер статьи: 8471413 (год публикации - 2018)
10.23919/URSI-AT-RASC.2018.8471413

4. А. Жуков, Д. Сидоров, А. Мыльникова, Ю. Ясюкевич Random Forest, Support Vector Regression and Gradient Boosting Methods for Ionosphere Total Electron Content Nowcasting problem at mid-latitudes 2018 2nd URSI Atlantic Radio Science Meeting, AT-RASC 2018, Номер статьи 8471588 (год публикации - 2018)
10.23919/URSI-AT-RASC.2018.8471588

5. Ясюкевич Ю.В., Ясюкевич А.С., Ратовский К.Г., Клименко М.В., Клименко В.В., Чирик Н.В. Winter anomaly in NmF2 and TEC: When and where it can occur Journal of Space Weather and Space Climate, V. 8, A45 (год публикации - 2018)
10.1051/swsc/2018036

6. Ясюкевич Ю.В., Живетьев И.В., Киселев А.В., Едемский И.К., Сыроватский С.В., Шабалин А.С., Веснин А.М. Tool for Creating Maps of GNSS Total Electron Content Variations 2018 PROGRESS IN ELECTROMAGNETICS RESEARCH SYMPOSIUM (PIERS-TOYAMA), P. 2417-2421 (год публикации - 2018)
10.23919/PIERS.2018.8597604

7. Падохин А.М., Терешин Н.А. Ясюкевич Ю.В., Андреева Е.С., Назаренко М.О., Ясюкевич А.С., Козловцева Е.А., Курбатов Г.А. Application of BDS-GEO for studying TEC variability in equatorial ionosphere on different time scales Advances in Space Research, V. 63. P. 257-269. (год публикации - 2019)
10.1016/j.asr.2018.08.001

8. Жуков А.В., Сидров Д.Н., Ясюкевич Ю.В., Мыльникова А.А. Towards reliable ionospheric total electron content nowcasting Proceedings of the International Conference on Sensing Technology, ICST, V. 2018-December, 4 January 2019, article number 8603626, P. 299-302. (год публикации - 2018)
10.1109/ICSensT.2018.8603626

9. Малецкий Б.М., Ясюкевич Ю.В., Веснин А.М. Полное электронное содержание по данным ГЛОНАСС/GPS/Galileo: проблемы фильтрации Труды конференции РРВ–26, 1–6 июля 2019,Казань, Том I, С. 225–229 (год публикации - 2019)

10. Ясюкевич Ю.В., Киселев А.В., Живетьев И.В., Едемский И.К., Сыроватский С.В., Малецкий Б.М., Веснин А.М. SIMuRG: System for Ionosphere Monitoring and Research from GNSS GPS solutions, V. 24, article number 69 (год публикации - 2020)
10.1007/s10291-020-00983-2

11. Малецкий Б.М., Ясюкевич Ю.В., Веснин А.М. Wave Signatures in Total Electron Content Variations: Filtering Problems Remote sensing, V.12, artilce number 1340 (год публикации - 2020)
10.3390/rs12081340

12. Ясюкевич Ю.В., Киселев А.В., Живетьев И.В., Едемский И.К., Сыроватский С.В., Малецкий Б.М., Веснин А.М. Полное электронное содержание по данным GPS/ГЛОНАСС/GALILEO: система автоматической обработки данных Труды конференции РРВ–26, 1–6 июля 2019,Казань, Том I, С. 388–392 (год публикации - 2019)

13. Жуков А.В.,Ясюкевич Ю.В., Серебенникова С.А., Веснин А.М., Киселёв А.В. Машинное обучение в задаче оценки границы аврорального овала по картам вариаций полного электронного содержания Труды конференции РРВ–26, 1–6 июля 2019,Казань, Том I, С. 391–400 (год публикации - 2019)

14. Жуков А.В., Сидоров Д.Н., Мыльникова А.А., Ясюкевич Ю.В. Machine learning methodology for ionosphere total electron content nowcasting International Journal of Artificial Intelligence, V. 16, N 1, P. 144-157 (год публикации - 2018)

15. Ясюкевич Ю.В., Живетьев И.В., Шабалин А.С., Едемский И.К., Лебедев В.П., Воейков С.В., Веснин А.М. Система сбора и хранения данных ГНСС-Rinex и полного электронного содержания Международная байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике. Труды XV Конференции молодых ученых., С. 167-169. (год публикации - 2017)

Публикации