Основные принципы внешнего зондирования ионосферы

(Геофизический подход)

Карпачев А.Т.

Преамбула

Зондирование внешней ионосферы (topside sounding) началась в 1962 г. с запуском американо-канадского спутника Alouette-1. Спутник имел гарантийный срок 2 года, но проработал 6 лет и дал столько прекрасных данных, что эксперимент был повторен на спутниках Alouette-2, ISIS-1 и ISIS-2. Эйфория после этих запусков была столь высокой, что серьезно высказывалось мнение, что экспериментальное исследование ионосферы в общем закончилось. Однако все эти спутники собирали данные только над Американским континентом и поэтому оставался вопрос об устройстве ионосферы на других долготах. Чтобы ответить на этот вопрос в 1978 г. был запущен японский спутник ISS-b уже с цифровой обработкой данных на борту. Однако обработанные таким образом данные давали ионограммы плохого качества и практически не публиковались. А самое главное, пропускная способность телеметрического канала оставалась низкой и позволяла собирать данные всего с 2-4 витков в сутки. Японцы свернули эксперимент, и хотя опубликовали несколько атласов глобальных цветных LT-карт, ими никто в мире воспользоваться не смог. В 1979 г. в СССР лабораторией Ю.В.Кушнеревского был подготовлен успешный проект в рамках которого был запущен спутник Интеркосмос-19. Основным его преимуществом был режим непрерывной работы с запоминанием в течение ~16 ч, что составляет ~11 витков или 250 по долготе. После сброса телеметрической информации этот режим мог быть повторен. Таким образом, хотя и за счет ухудшения качества ионограмм, этот режим позволял получать глобальное распределение электронной концентрации во всей толще внешней ионосферы. Это результат так остался непревзойденным, и спутник Интеркосмос-19 является, по-видимому, самым успешным проектом в рамках программы "Интеркосмос". Однако при подготовке проекта была допущена распространенная ошибка - основное внимание было уделено разработке бортовой аппаратуры, мол самое главное полететь, а приему и обработке информации было уделено мало внимания. Однин из координаторов проекта М.Д.Флигель позже с горечью признавался, что и работа на борту и прием информации могли быть гораздо более эффективными. Ко второму крупному недостатку привела научная жадность - на спутнике было поставлено много научной аппаратуры, а в процессе испытаний оказалось, что некоторые приборы плохо совместимы с ионозондом, поэтому было принято решение работать поочередно - в группах 1 и 2. Недостаточно высокое качество ионограмм, неэффективное планирование работы, наличие 2 групп, разного рода перерывы в работе безусловно снизили ценность эксперимента. Эти недостатки необходимо учесть в будущем проекте.

Научные задачи

Спутник Alouette-1 был запущен с целью исследования глобальных вариаций электронной концентрации во внешней ионосфере. Однако на ионограммах внешнего зондирования кроме следов отражений электромагнитной волны от ионосферы оказалось огромное количество четко выраженных пиков, отражающих резонансные свойства ионосферной плазмы. Достаточно сказать, что гармоники гирочастоты фиксировались до номера n = 22. Американцы позднее с гордостью писали, что это явилось следствием гибко задуманного и проведенного эксперимента. Относительно плазменных резонансов был получен настолько богатый материал, что дальнейшее развитие эксперимента (Alouette-2, ISIS-1 и ISIS-2) шло, в основном, в плане более детального изучения этих резонансов. Заметим, однако, что характеристики ионозонда, режим его работы, а также состав научной платформы на борту спутника очень сильно отличаются для этих двух глобальных направлений исследования ионосферы. Поэтому ниже будет представлен, в основном, если так можно выразиться геофизический (глобальный) аспект проблемы зондирования верхней ионосферы, и только коротко будут перечислены те изменения в характеристиках эксперимента, которые требуются для чисто плазменного аспекта.

Исходя из этого, поставим научные задачи внешнего зондирования ионосферы, которые являются наиболее актуальными на настоящий момент. Но перед этим сделаем одно существенное примечание. Мировое научное сообщество, и в особенности Американский геофизический союз, все последние годы занято, в основном, исследованием влияния солнечного ветра на магнитосферу. Практически все последние спутники являются магнитосферными. Они дали экспериментальную основу для исследования процессов пересоединения, процессов в хвосте магнитосферы, триггерного механизма суббури и т.д. На ионосферном поле действуют разрозненные группы исследователей. А то, что ионосфера еще далеко не изучена, не вызывает никаких сомнений. Доказательством сказанного является следуюший список научных задач, актуальность которых четко выявилась в последнее время.

1. Мониторинг состояния окружающей среды на основе мгновенного глобального распределения электронной концентрации во внешней ионосфере для данного момента UT времени ("snapshot") при наличии 4 спутников, равномерно охватывающих 8 секторов местного времени.
2. Построение глобального распределения электронной концентрации для фиксированных моментов местного времени (LT-карт) и исследование глобального долготного эффекта в параметрах ионосферы и термосферы (для этой задачи достаточно одного спутника, работающего в непрерывном режиме). Эта задача уже ставилась, но до полного ее решения еще далеко.
3. Исследование глобальной структуры верхней ионосферы, что особенно актуально в области высоких и экваториальных широт (аврорального овала, дневного каспа, провалов ионизации разных типов, экваториальной аномалии, пиков температуры электронов и ионов и т.п.).
4. Изучение региональных особенностей ионосферы. Есть многочисленные свидетельства наличия больших различий в поведении ионосферы над разными областями земной поверхности. Но глобально такая задача еще никем не формулировалась, в основном за недостатком глобальных данных.
5. Построение глобальной трехмерной модели электронной концентрации для разных геофизических условий. Задача актуальна, поскольку международная модель ионосферы IRI построена по данных наземных станций, которые не охватывают всю земную поверхность.
6. Исследование неоднородностей разных масштабов. Эта проблема интенсивно разрабатывается в последнее время и включает в себя исследование характеристик самих неоднородностей, F-рассеяния, промежуточных (intermediate) слоев, спорадического Е слоя, экваториального электроджета и т.д.).
7. Как уже было сказано выше, в настоящее время интенсивно исследуются эффекты воздействия солнечного ветра на магнитосферу Земли, которое приводит к магнитным бурям. Естественно, что следующим звеном цепочки, которое будет исследоваться, будет звено магнитосфера-ионосфера. Не нужно ждать, когда все научное сообщество перейдет к этой проблеме, но уже сейчас поставить задачу построения глобального отклика ионосферы на магнитную бурю. Это особенно удобно на спаде солнечной активности, когда имеет место пик магнитной активности.
8. В последнее время снова возрос интерес к изучению волновых или квазиволновых вариаций параметров ионосферы (ПИВ - перемещающихся ионосферных возмущений), связанных с воздействием на ионосферу АГВ - акусто-гравитационных волн. Это связано, например, с тем, что до сих пор не найдены источники среднемасштабных АГВ. Отметим, что для выполнения этой задачи в полном объеме необходимо наличие меридиональной цепочки наземных станций.
9. Ионосфера Земли устроена чрезвычайно асимметрично. Ее характеристики в северном и южном полушариях могут отличаться кардинально. Это показывают многочисленные разрозненные результаты, а также целенаправленный анализ, проведенный в рамках гранта РФФИ в лаборатории физики и моделирования ионосферы ИЗМИРАН. Однако в полном объеме изучить и понять эту проблему можно только на основе большого массива данных, полученных в обоих полушариях.
10. Анализ ионограмм внешнего зондирования показывает наличие большого количества чрезвычайно интересных особенностей. Эти особенности могут быть связаны с распространением радиоволн в дактах, трансэкваториальным распространением, отражениями от обеих стенок главного ионосферного провала, особенностями ионосферы в области Бразильской аномалии и т.п. Поэтому они крайне интересны как в геофизическом, так и в радиофизическом плане. Они частично изучались как по данным американских спутников, так и по данным Интеркосмос-19, но большинство из них даже не представлено в литературе.
11. В последнее время человечество сильно озабочено проблемами экологии. Антропогенный фактор сказывается на всех глобальных системах, в том числе и на ионосфере. Так над промышленно развитыми районами резко возрос уровень разного рода излучений. Мониторинг шумов естественного и антропогенного происхождения возможно проводить при выключенном передатчике ионозонда. Этот режим можно запланировать на конец срока службы солнечных батарей.
12. Исследование эффектов землетрясений и выявление их предвестников.
13. Исследование плазменных резонансов, возбуждаемых передатчиком ионозонда в ближней и дальней области около спутника. Эта проблема интенсивно исследовалась на спутниках Alouette, ISIS, Explorer и ISS-b, но она настолько богатая, что в ней осталось еще очень много не исследованных аспектов. Эта проблема требует более детального описания, что выходит за рамки данного документа.
14. Выше перечислены наиболее актуальные и крупные проблемы. Однако в ионосфере Земли имеют место хотя и редкие, но также очень интересные с точки зрения физики явления, например образование слоя F3, появление условия G и т.п. Детально исследовать такого рода явления можно только на основе большого массива регулярных данных внешнего зондирования.

Требования к орбите спутника

Наиболее неизученными и интересными для исследований областями являются высокие широты, поэтому наклонение орбиты должно быть достаточно большим. Отметим, что при наклонении орбиты 74 как у Интеркосмос-19, на долготах 270-300 южного полушария спутник достигает всего 62 инвариантной широты, т.е. в спокойных условиях его орбита лежит намного экваториальнее аврорального овала. Это сильно затрудняет исследование структуры высокоширотной ионосферы. С другой стороны, спутники с полярной орбитой очень долго находятся в одном и том же секторе местного времени. Такой спутник может почти весь сезон "провисеть" в восходно-заходном секторе местного времени, крайне неудобном для любых исследований, кроме исследования эффектов терминатора. Таким образом, выбор должен быть компромиссным, следует остановиться, по-видимому, на наклонении орбиты, близком к 80 . При таком наклонении спутник вследствие прецессии орбиты охватывает все часы местного времени примерно за три месяца, т.е. как раз за один сезон.

Для внешнего зондирования ионосферы наиболее удобной является круговая орбита спутника. Ее высота определяется уровнем солнечной активности. В минимуме солнечной активности с высоты около 1000 км спутник охватывает существенную часть внешнего профиля ионосферы. Alouette-1 летал именно на такой высоте. При высокой солнечной активности высота орбиты должна быть увеличена до ~2000 км. Однако высота орбиты спутника взаимосвязана с другими параметрами эксперимента, и ее выбор также является компромиссом. Поэтому следует остановиться на высоте не более 1500 км. Объяснение этому будет дано ниже.

Состав научной платформы

Вариации концентрации плазмы определяются химическими и динамическими процессами. Поэтому кроме ионозонда желательно наличие приборов, измеряющих соответствующие параметры ионосферы и атмосферы. Для спутника, находящегося на высотах термосферы (300-600 км), это в первую очередь измерения состава атмосферы и скорости дрейфа плазмы. Особенно дефицитны данные по скорости дрейфа. Относительно постановки масспектрометра на борт спутника с высокой орбитой часто высказываются скептические соображения в том плане, что на таких больших высотах регистрируются всего три иона (О+, Не+ и Н+), которые вступают в простые химические реакции. Это неправильная постановка вопроса. Во-первых, здесь важна не столько химия, сколько динамика этих ионов. А, во-вторых, анализ литературы показывает, что несмотря на существования целого ряда спутников (OGO-2, OGO-4, OGO-6, ESRO-4, ISS-b) глобальное распределение этих ионов до сих пор известно настолько плохо, что отражено в модели IRI совершенно неадекватно. Удивительно, но неизвестны даже суточные вариации концентрации этих ионов.

Прямые измерения Ne, Те (Ti) с помощью зонда Ленгмюра на борту спутника являются уже рутинными, но они хорошо дополняют данные внешнего зондирования. Локальные измерения Ne должны соотноситься с измерениями ионозонда. Измерения Te и Ti позволяют кроме всего прочего исследовать каналы поступления энергии из магнитосферы в ионосферу. Радиспектрометр является неотъемлемой частью системы для исследования возбужденных излучений и естественных шумов в плазме. При исследовании возмущенной ионосферы важной задачей является мониторинг динамики диффузной части аврорального овала (высыпающиеся электроны) и кольцевого магнитосферного тока (ионы). Он осуществляется с помощью детектора высыпающихся частиц. Аналогично фотометр регистрирует динамику дискретной части авроры, а также устойчивых красных авроральных дуг (SAR-arc). Наконец, для решения многих проблем желательно иметь измерения электрических полей. Эта задача трудная, но она была успешно решена на спутниках Интеркосмос-Болгария-1300 и Космос-1809.

Состав приборов на борту спутника с научной стороны определяется желанием измерить как можно больше. Однако с технической стороны он ограничивается в первую очередь электромагнитной совместимостью приборов с ионозондом, который в процессе работы сильно модифицирует окружающую плазму. Кроме того, внешнее зондирование забирает львиную долю энергоресурса, а в старой телеметрической системе занимало практически всю память. Опыт показывает, что несмотря на трудности с ионозондом можно совместить зонд Ленгмюра, масспектрометр, детектор высыпающихся частиц и, естественно, радиоспектрометр, а также любые оптические приборы.

Характеристики ионозонда

Характеристики ионозонда определяются поставленной научной задачей, высотой орбиты, параметрами окружающей среды и техническими возможностями.

1. Диапазон частот. Верхняя частота зондирования определяется самой высокой концентрацией в максимуме слоя F2, которая обычно достигается в гребнях экваториальной аномалии. При высокой солнечной активности верхняя частота должна быть не менее 20 МГц. Более высокая частота не требуется, поскольку на большинстве ионограмм следы отражений будут занимать не более 20-50% площади, что неудобно для обработки. Можно предусмотреть два режима - зондирование в сокращенном диапазоне 0.1-10 МГц и в полном диапазоне 0.1-20 МГц. Но тогда эти режимы должны переключаться, скажем при приближении спутника к низким широтам.
   Нижняя частота зондирования определяется самой низкой концентрацией на высоте спутника. Для высоты спутника 1000 км и при высокой солнечной активности нижняя частота зондирования должна быть не выше 0.3 МГц. При низкой солнечной активности и при высоте 1500 км она должна быть понижена до 0.1 МГц.
   Шкала частот должна быть неравномерной, квазилогарифмической. На малых частотах, для того, чтобы отслеживать тонкую структуру плазменных резонансов, зондирование производится с шагом 25 КГц. На частотах выше 3 МГц шаг зондирования может быть увеличен до 50 КГц, а на частотах выше 10 МГц - до 100 КГц.
   Задавая диапазон частот и его неравномерность нетрудно рассчитать число зондирующих частот. В предлагаемом варианте их 116+140+100=356. Дальнейшее увеличение числа зондирующих нецелесообразно, поскольку оно увеличивает время, требующееся для получения одной ионограммы.
2. Предлагаемый эксперимент использует специальную антенную систему из трех скрещенных диполей (с длиной плеча 25 м), позволяющую с помощью аппаратурного и программного обеспечения определять полный волновой вектор электромагнитной волны, в том числе и поляризацию волны. Это позволит автоматизировать обработку ионограмм на борту и резко уменьшит время, необходимое для интерпретации ионограмм, а, следовательно, повысить оперативность поступления ионосферной информации и ионосферного прогноза.
3. Мощность передатчика определяется степенью затухания отраженного сигнала. Эксперименты, проведенные на разных спутниках показывают, что на высоте 1500 км мощность передатчика в импульсном режиме должна быть не ниже 200 Вт. Это означает, что в непрерывном режиме он будет потреблять примерно 20 Вт. Однако, можно предусмотреть кодовую модуляцию излучаемого сигнала, при которой излучается серия фазово-модулированных сигналов при одновременном приеме трех разных отражений. Этим, а также усреднением информации по трем измерениям, резко улучшается соотношение сигнал/шум. Такой метод позволяет сильно снизить требуемую мощность передатчика (до ~50 Вт).
4. Важным параметром является частота повторения зондирующих импульсов. Она должна быть максимально высокой, поскольку, например, при скорости вдоль орбиты 7-8 км Alouette-1 за время съема одной ионограммы (11 сек) пролетал расстояние ~80 км, что довольно много для неоднородной ионосферы. Однако период следования зондирующих импульсов не может быть короче, чем время прихода самого задержанного сигнала. Самые большие задержки сигнала имеют место вблизи критической частоты слоя F2. Действующие дальности при этом по крайней мере в 1.5 раза больше истинных. Однако кроме вертикального, часто наблюдается и наклонное и волноводное распространение. В этих случаях сигнал задержан еще сильнее. Опыт зондирования на спутнике Alouette-2 показывает, что при высоте орбиты ~3000 км довольно часто отмечались действующие дальности вплоть до 6000 км. При такой задержке частота зондирования не может быть выше 50 Гц. На практике эта частота на спутнике Alouette-2 была задана еще меньше - 30 Гц, поскольку требовалось дополнительное время на перестройку ионозонда с частоты на частоту, а также для формирования служебных импульсов. Для высоты 1500 км частоту повторения зондирующих импульсов следует задать около 50 Гц.
   Если частота зондирования 50 Гц, а число импульсов зондирования 356, то для получения ионограммы потребуется около 7 сек. Если выбрать время между сеансами зондирования 16 сек, то противоречий нет.
5. Полоса частот приемника определяется требуемой точностью измерения дальности. При точности измерения дальности около 5 км достаточно иметь ширину полосы ~20 КГц. Однако с целью уменьшения помех на спутнике Интеркосмос-19 ширина полосы была уменьшена до 12 КГц в ущерб точности. Можно сохранить требуемую ширину полосы увеличив мощность передатчика.
6. Чувствительность приемника должна быть не хуже 10 мкВ
7. Исходя из выбранной полосы широт приемника, длительность импульса передатчика при простой импульсной модуляции должна быть около 100 мкс.

Телеметрическая система

Критическими характеристиками телеметрической системы являются объем памяти и скорость передачи информации. Рассчитаем потребный объем памяти для данных ионозонда. Он определяется периодом запоминания, количеством ионограмм за этот период и объемом одной ионограммы. При наличии одного пункта приема телеметрической информации в ИЗМИРАН сброс информации может производиться два раза в сутки, т.е. период запоминания составляет 12 ч. Поскольку объем старой штатной телеметрической системы был недостаточно большим, зондирование в основном режиме работы Интеркосмос-19 (ЗАП-4) проводилось с периодом 64 сек. Это составляет примерно 4 по широте на низких и средних широтах и 2-3 в области высоких широт. Это слишком много. Опыт показывает, что для большинства геофизических задач разрешение по широте должно быть не хуже 1 , т.е. примерно 16 сек по времени. Тогда за сутки будет произведено 5400 сеансов зондирования, а за 12 ч должно быть записано 2700 ионограмм. Объем одной ионограммы определяется числом зондирующих частот и количеством регистрируемых отражений на каждой частоте. На Интеркосмос-19 на каждой частоте регистрировалось всего три отражения, что опять же было связано с недостаточно большим объемом памяти, и что крайне мало, поскольку резко снижает качество ионограмм. Поэтому следует говорить о 10-20 отражениях на каждой частоте. При 20 отражениях обьем одной ионограммы составляет ~10 Кб. Тогда общий объем памяти для 12 ч должен быть не менее 30 МГб. Эта информация должна быть сброшена на наземный пункт за ~10 минут. Для этого требуется относительно невысокая скорость передачи, которую обеспечивает даже Интернет для большинства пользователей.

Сбор и обработка данных

Отличительной особенностью геофизических наблюдений от радиофизических является их безусловная непрерывность. Так, например, подготовка землетрясений занимает 4-5 суток, более слабые толчки продолжаются еще два-три дня, ионосферные бури также могут длиться несколько суток. Все это время, а также до и после события наблюдения должны быть непрерывными, поскольку необходимо знать, на каком фоне развиваются процессы. Солнечный ветер, как известно, не знает выходных. Поэтому удивляет постановка вопроса, когда спутник, на который были потрачены огромные средства и время, и период службы которого ограничен гарантийным сроком всего в полгода, работает с выходными, праздниками и другими не вынужденными пропусками, как это было с Интеркосмос-19 и многими другими КА. Простой анализ показывает, что пропуск данных 20% по времени не позволяет регистрировать 30-40% событий, пропуск 40% - 60-80% и т.д. Поэтому безусловным требованием к программе работы спутника является ее непрерывность.

В запуске канадско-американского спутника Alouette-1 и обработке его информации участвовало около 70 человек, не считая простых операторов, фамилии которых история не сохранила. Поэтому эти данные были обработаны достаточно оперативно (за ~4 года), проанализированы и представлены научной общественности в виде статей, а затем и атласов данных. После запуска Интеркосмос-19 обработкой и анализом данных занимались, в основном, отдельные, заинтересованные в этом научные сотрудники. Специальной группы создано не было. Поэтому они обрабатываются до сих пор и часть их безвозвратно утрачена. Неразумно повторять эту ошибку. Должен быть создан коллектив, которому заранее будут поставлены задачи по сбору, хранению и обработке первичной информации.

Наиболее трудоемкой задачей является обработка ионограмм внешнего зондирования. Время обработки одной простой ионограммы спутника Alouette-1 было доведено до ~2 минут. При этом оператор обводил ионограмму световым пером и рассчитывал N(h)-профиль. Затем решалась обратная задача - по N(h)-профилю восстанавливалась ионограмма, которая воспроизводилась на экране для контроля правильности расчета. В ИЗМИРАН такая задача не была решена, ни программно, ни методически. При зондировании с периодом 16 сек (~1 по широте) за сутки будет записано 5400 ионограмм. Даже при недостижимой при рутинной обработке скорости обработки одной ионограммы 2 мин, общее время их обработки составит 180 часов, что равно месяцу работы одного оператора. При работе 4 спутников одновременно это время будет соответственно в 4 раза больше. Таким образом, вручную такое количество ионограмм обработать невозможно. Необходимо поставить задачу автоматической, а в сложных случаях полуавтоматической обработки ионограмм. Именно поэтому ставится задача измерения поляризации отраженной волны. Это позволит разделить обыкновенную и необыкновенную компоненты, и, как можно надеяться, обрабатывать простые ионограммы в автоматическом режиме. В сложных случаях следует привлечь методы распознавания образов. В решении этой проблемы в последнее время был достигнут значительный прогресс. Тем не менее, применение этих методов к обработке сложных ионограмм, скорее всего, потребует значительных усилий.

В заключение отметим еще одну очень серьезную проблему - при обработке телеметрической информации около 10-20% данных Интеркосмос-19 и 40-50% данных Космос-1809 обработать не удалось. Поскольку специальный анализ не проводился, причины этого не были установлены. Возможно, их было несколько - искажения на борту, в телеметрической системе, а также при записи и воспроизведении информации на Земле. При современных носителях информации в цифровом виде эта проблема не должны быть столь острой, тем не менее, она должна быть взята под контроль.

Плазменный аспект

Выше представлен геофизический аспект проблемы. Решение плазменного аспекта потребует изменений как в программе эксперимента, так и в характеристиках ионозонда. Кратко опишем необходимые изменения, необходимость которых видна уже сейчас.

1. Для исследования разного рода плазменных явлений эксперимент должен быть более гибким. Так, например, необходимо запланировать режимы работы, когда передатчик работает на любой фиксированной частоте, а приемник перестраивается в некотором диапазоне. И наоборот, передатчик возбуждает плазму во всем диапазоне частот, а приемник регистрирует реакцию плазмы на фиксированной частоте.
2. Мощность передатчика должна меняться (уменьшаться), чтобы можно было исследовать условия возбуждения плазменных резонансов.
3. Точно также должна быть предусмотрена возможность изменения в процессе эксперимента длительности зондирующего импульса в довольно широких пределах.
4. Длительность двойного гибридного резонанса достигает 30 мс. Для наблюдения подобных длительных плазменных явлений частота зондирования должна быть снижена до 30 Гц.
5. Точно также для исследования тонкой структуры плазменных резонансов шаг по частоте должен быть уменьшен с 25-50 КГц до 10-15 КГц.
6. Для выделения следов отражений, даже в услових сильной диффузности, можно ограничиться регистрацией на каждой частоте 10-20 отражений (сигналов). Для исследований длительных плазменных явлений это число должно быть увеличено до 200, т.е. на порядок.
7. С другой стороны, наблюдения плазменных резонансов не требуют такой регулярности, как при непрерывном мониторинге ионосферы, поэтому ионограммы могут регистрироваться реже. Тем более, что время, затрачиваемое на получение одной ионограммы возрастает.
8. Для регистрации плазменных явлений приемника ионозонда недостаточно, даже при гибком режиме работы. Он должен быть совмещен с радиоспектрометром, который производит измерения в очень широком диапазоне частот от 20 Гц до 10 МГц, т.е. охватывает и НЧ и ВЧ диапазоны.

Как видно, некоторые из требований к ионозонду являются совместимыми, а другие нет. Поэтому можно идти двумя путями. Планировать два разных эксперимента, "геофизический" и "плазменный", проектировать для каждого из них свой ионозонд, и ставить их на разные спутники. Это более предпочтительный, но более дорогой вариант. Второй путь - достижение компромисса в плане характеристик ионозонда, разработка более сложной и более гибкой программы работы и проведение комплексного эксперимента на одном спутнике.