Построение новой модели магнитного поля Марса по данным измерений спутниковых миссий MGS и MAVEN

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 23-27-00392

НазваниеПостроение новой модели магнитного поля Марса по данным измерений спутниковых миссий MGS и MAVEN

Руководитель Батов Алексей Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-405 - Геомагнитное поле, геодинамо, палеомагнетизм

Ключевые слова Марс, магнитное поле, спутниковые данные, модель, метод регуляризации, аппроксимационные подходы

Код ГРНТИ89.51.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен разработке численных и аналитических методов для построения глобальной модели магнитного поля Марса высокого разрешения по данным спутниковых измерений большого объема на основе метода линейных интегральных представлений. Результатом проекта должны также быть программные библиотеки, позволяющие производить выборки спутниковых измерений из больших массивов данных (в настоящее время в общем доступе находятся комплекты данных более 5 тыс. дней измерений магнитного поля спутниковыми миссиями MGS и MAVEN, в том числе субдискретизированых до 1 секунды) на произвольных сетках по различным критериям, а также производить аппроксимацию и аналитические продолжения магнитного поля (в том числе приведение к одной высоте и продолжения в сторону источников, на поверхность планеты) специально разработанным для данного проекта вариантом комбинированного метода локальных и региональных S-аппроксимаций, являющегося одним из вариантов реализации метода линейных интегральных представлений. Представление итоговой модели магнитного поля Марса планируется в виде разложения по сферическим гармоникам на разных высотах (радиусах) на основе нескольких результатов аппроксимаций и последующих аналитических продолжений, в том числе с целью сравнения полученной модели с другими актуальными моделями магнитного поля Марса, также представленным в виде разложения по сферическим гармоникам. Большой объем доступных измерений и высокое разрешение модели предполагают разработку в рамках данного проекта специальных критериев выборки и прореживания исходных данных, а также формирования матриц и программной реализации модифицированных блочных методов решения СЛАУ, учитывающих доступные исследователям вычислительные мощности. Актуальность и научная значимость предмета исследований обусловлена, с теоретической стороны, необходимостью создания методов построения глобальных моделей физических полей планет по совокупным, в том числе разнородным и разноточным, общедоступным данным спутниковых измерений большого объема, а также с практической стороны – необходимостью создания современными средствами программных библиотек и пакетов, обеспечивающих расчет аппроксимационных моделей физических полей модифицированными вариантами метода линейных интегральных представлений, хорошо зарекомендовавшего себя при нахождении аналитических аппроксимаций как потенциальных полей Земли, так и непрерывных функций, не являющихся гармоническими, но принимающих значения на границе области гармоничности некоторого поля. Существующие на данный момент методики выборки из больших массивов данных спутниковых измерений и модели построения магнитного поля Марса являются достаточно ограниченными в выборе методов интерпретации и не используют в полной мере передовую отечественную теорию и практику интерпретации данных физических полей планет.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сальников А.М., Степанова И.Э., Гудкова Т.В., Батов А.В. A New Combined Technique for Solving Nonlinear Gravity Problems from Planetary Topography, Gravity Field Data, and Crustal Thickness Using a Throwing off Algorithm Doklady Earth Sciences, Vol. 510, Part 2, pp. 468–474 (год публикации - 2023)
10.1134/S1028334X23600329

2. Сальников А.М., Батов А.В. Sampling Satellite Data for Constructing a Global Model of the Magnetic Field of Mars 2023 16th International Conference Management of large-scale system development (MLSD), IEEE, pp. 1-5 (год публикации - 2023)
10.1109/MLSD58227.2023.10303982

3. Батов А.В., Сальников А.М. Обработка данных спутниковых миссий для построения модели магнитного поля Марса XX Конференция молодых учёных «Фундаментальные и прикладные космические исследования» ИКИ РАН, Москва, 12–14 апреля 2023 г. Сборник трудов (год публикации - 2023)

4. Батов А.В., Сальников А.М. Проблемы выборки данных спутниковых измерений при построении глобальной модели магнитного поля Марса Управление развитием крупномасштабных систем (MLSD’2023): труды Шестнадцатой международной конференции, С. 1359-1364 (год публикации - 2023)
10.25728/mlsd.2023.1359

5. Сальников А.М., Батов А.В., Степанова И.Э., Гудкова Т.В. Challenges and Approaches in Constructing Mars’ Magnetic Field Models From Satellite Data The Fifteenth Moscow Solar System Symposium 15M-S3, 15MS3-MS-12 ORAL (год публикации - 2024)

6. Сальников А.М., Батов А.В., Степанова И.Э., Гудкова Т.В. On Samples of Satellite Measurement Data for Constructing a Global Model of the Magnetic Field of Mars Automation and Remote Control, Vol. 85, No. 10, pp. 1031–1043 (год публикации - 2024)
10.31857/S0005117924100095

7. Сальников А.М., Батов А.В., Степанова И.Э., Гудкова Т.В. О выборках данных спутниковых измерений для построения глобальной модели магнитного поля Марса Автоматика и телемеханика, № 10, С. 126-143 (год публикации - 2024)
10.31857/S0005231024100097

8. Сальников А.М., Батов А.В., Степанова И.Э., Гудкова Т.В. Data Sampling for Modelling the Martian Magnetic Field with S-Approximations 2024 8th International Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT), IEEE, pp. 1-4 (год публикации - 2024)

9. Сальников А.М., Батов А.В., Степанова И.Э., Гудкова Т.В. Options for Martian Magnetic Field Modelling from Satellite Data Samples 2024 17th International Conference on Management of Large-Scale System Development (MLSD), IEEE, pp. 1-4 (год публикации - 2024)
10.1109/MLSD61779.2024.10739428

10. Сальников А.М., Батов А.В. Grid-Based Approximation of Martian Magnetic Field from Large Satellite Datasets 2024 6th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA) (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Исследованы проблемы формирования выборок и разработаны критерии выборки больших массивов данных спутниковых измерений для построения моделей магнитного поля Марса. Предложено и реализовано несколько подходов к построению выборок данных. С помощью регионального метода S-аппроксимаций построены аналитические аппроксимации магнитного поля, представлены аналитические продолжения поля к единой выбранной высоте. Построены различные сетки для выборки данных, выбраны высоты измерений, в том числе с учётом поля видимости, при котором Солнце не находилось в прямой видимости космического корабля, выбраны данные вблизи узлов сетки. Даны представления аналитического продолжения магнитного поля планеты на различные высоты (см. «Сальников А.М., Батов А.В., Степанова И.Э., Гудкова Т.В. О выборках данных спутниковых измерений для построения глобальной модели магнитного поля Марса // Автоматика и телемеханика. 2024. № 10. С. 126-143.»; A. Salnikov, A. Batov, I. Stepanova and T. Gudkova. “Data Sampling for Modelling the Martian Magnetic Field with S-Approximations” // 2024 8th International Conference on Information, Control, and Communication Technologies (ICCT). 2024, A. Salnikov, A. Batov, I. Stepanova and T. Gudkova, "Options for Martian Magnetic Field Modelling from Satellite Data Samples," 2024 17th International Conference on Management of Large-Scale System Development (MLSD), Moscow, Russian Federation, 2024, pp. 1-4, doi: 10.1109/MLSD61779.2024.10739428). Представлен алгоритм (см. A. Salnikov and A. Batov Grid-Based Approximation of Martian Magnetic Field from Large Satellite Datasets // 2024 6th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). 2024.), который подробно описывает систематическую процедуру выбора данных, фильтрации и аппроксимации на этих сетках, решая проблемы, связанные с обработкой огромных объемов спутниковых данных. Также представлен основанный на сетке подход для аппроксимации марсианского магнитного поля из больших наборов спутниковых данных, включающий измерения с космических аппаратов MGS и MAVEN. Используя предопределенные структуры сетки, включая сферическую прямоугольную равновеликую сетку и прямоугольную географическую сетку, метод эффективно обрабатывает обширные данные для построения глобальной модели высокого разрешения. Наш алгоритм состоит из нескольких этапов и интегрирует ряд последовательных стратегий. Такой подход позволяет создавать оптимальные подмножества из больших наборов данных спутниковых измерений, которые необходимы для построения точной и надежной модели магнитного поля Марса с использованием метода S-аппроксимации. Модульная конструкция алгоритма и четкие спецификации параметров облегчают его реализацию и адаптацию к различным исследовательским сценариям. Возможность возврата к предыдущим этапам в случае неудовлетворительных результатов обеспечивает итеративное уточнение выходных данных алгоритма. Будущая работа может включать интеграцию дополнительных источников данных, включение передовых методов визуализации и дальнейшую оптимизацию производительности алгоритма. Потенциал алгоритма может быть дополнительно изучен путем его применения к другим планетным телам и проведения сравнительных исследований. Для реализации разработанной методики был доработан и усовершенствован комплекс программных модулей, включающий инструменты для обработки исходных файлов данных спутниковых измерений, построения сеток и выборок данных на сетках по параметрам, построения и оценки моделей, выполнения аналитических преобразований. Разработанная библиотека SapprPlanet интегрирована с модулями реализации модифицированных версий метода S-аппроксимаций, а также использует сторонние модули, реализующие устойчивые итерационные методы решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) большой размерности. Программное обеспечение интегрировано в архитектуру многопроцессорных систем, что позволяет эффективно обрабатывать большие объемы данных параллельно. Модули и классы библиотеки опубликованы в открытом доступе на платформе GitHub (https://github.com/SapprPlanet/sapprplanet). На основе больших массивов данных спутниковых измерений миссий MGS и MAVEN, объединенных на уровне близости к узлам сетки, построены варианты глобальной модели магнитного поля Марса. Модель магнитного поля Марса, основанная на данных космического аппарата MAVEN и дополненная данными MGS в областях выше 75° с.ш. и ниже 75° ю.ш. представлена в виде разложения по сферическим гармоникам. Данное разложение по сферическим гармоникам включено в библиотеку SapprPlanet. Для радиальной компоненты B_r проведено сравнение спектра разложения по сферическим гармоникам с соответствующими спектрами для моделей Morschhauser и др., 2014 и Langlais и др., 2019.

Публикации