Ионосфера — одна из оболочек вокруг Земли (вместе с магнитосферой и атмосферой), которая располагается между верхней границей нейтральной атмосферы на высоте 50 км и высотой порядка 2000 км над поверхностью нашей планеты. Ей принадлежит особая роль — быть диагностическим индикатором состояния околоземного космического пространства и нашей планеты.

Большинство токов, возникающих в результате повышенной солнечной и геомагнитной активности, замыкаются в ионосфере. Это делает её идеальной природной лабораторией для контроля околоземного космического пространства. Но добраться до неё можно только на борту искусственного спутника Земли.

Спутники для исследования и мониторинга ионосферы должны быть оснащены приборами, способными измерить основные параметры космической плазмы — концентрацию частиц, их состав и температуру, а также параметры электромагнитных полей и волновых излучений, и генерируемых в окрестности спутников, и приходящих из удалённых областей их генерации.

Но если проводить измерения только на орбите спутника, то мы получим тонкий срез на фиксированной высоте, а о том, что происходит выше и ниже неё, сможем только гадать. Разрешить эту дилемму может прибор, способный зондировать ионосферу на разных высотах и представлять результаты в виде высотного профиля. Такой прибор и назван ионозондом.

Излучая короткие радиоимпульсы в широком диапазоне частот, он регистрирует отраженные от ионосферы сигналы, причем отражение происходит в точке, в которой частота свободных колебаний электронов (зависящая от их концентрации на данной высоте) равна частоте зондирующего радиоимпульса. Измеряя длительность задержки между временем излучения импульса и получением отраженного сигнала, мы можем определить высоту отражения, а по частоте отраженного импульса — концентрацию электронов на этой высоте.

Свою историю ионозонды ведут с 30-х годов прошлого столетия, когда были проведены первые эксперименты зондирования ионосферы с поверхности Земли. Сейчас существует глобальная сеть наземных ионозондов, данные которой обрабатывают соответствующие геофизические службы. Но они могут получить информацию только о нижней части ионосферы до главного максимума, расположенного на высотах 250–400 км. Всё, что расположено выше, можно исследовать только с борта спутника.

Первые спутниковые ионозонды появились в 1962 г. (канадско-американский спутник Alouette, в переводе — «Жаворонок). В Советском Союзе первый ионозонд был установлен на спутнике «Космос-381» (запуск 1970 г.). Весьма успешно работал ионозонд на борту спутника «Интеркосмос–19» (1979 г.) — первая комплексная лаборатория с ионозондом на борту. Потом был запущен спутник «Космос-1809» (1987 г.), изготовленный по заказу советской гидрометеорологической службы. Он должен был стать первым спутником группировки аппаратов, предназначенных для регулярного глобального мониторинга ионосферы. К сожалению, ионозонд на борту спутника проработал не так долго, как планировалось, хотя остальные приборы успешно работали еще шесть лет, и был получен богатый материал по локальным параметрам ионосферной плазмы.

Спутниковый проект «Ионозонд» был задуман и для решения фундаментальных научных задач, и для мониторинга космической погоды в прикладных целях.

Космический комплекс «Ионозонд» состоит из двух сегментов: космические аппараты «Ионосфера» (4 КА) и космический аппарат «Зонд».

Космический аппарат «Ионосфера-М»

В ходе реализации проекта планируется вывести на орбиту 4 космических аппарата «Ионосфера-М», предназначенных для наблюдения состояния ионосферы. Приборный состав аппаратов одинаков.

• Энергоспектрометр ионосферной плазмы (ЭСИП) для измерения локальных параметров ионосферной плазмы вдоль орбиты КА, изучения структуры и динамики ионосферы в целом, изучения отдельных физических процессов в ионосферной плазме, глобального мониторинга ионосферы
• Озонометр-ТМ для спектроскопических измерений интенсивности отраженного атмосферой Земли УФ-излучения Солнца в полосе 300-400 нм
• Низкочастотный волновой комплекс (НВК2) для измерения магнитных и электрических полей околоземного космического пространства в диапазоне частот до 20 кГц с целью определения состояния магнитосферно-ионосферной плазмы и выявления воздействий естественного и антропогенного происхождения
• GPS-измеритель полного электронного содержания (ПЭС) для определения высотного распределения электронной концентрации ионосферы Земли (от основания ионосферы до высоты КА) по данным радиозатменных измерений сигналов космических аппаратов глобальных навигационных систем GPS/ГЛОНАСС
• Двухчастотный 150/400 МГц передатчик (МАЯК) для радиопросвечивания ионосферы Земли на частотах 150 МГц и 400 МГц с целью определения параметров ионосферы в подспутниковой области
• Спектрометр плазмы и энергичной радиации (СПЭР/1) для измерения дифференциальных энергетических спектров низкоэнергичных электронов и протонов в диапозоне энергий 0,05–20 кэВ, спектров электронов в интервале 0,1–10 МэВ, спектров протонов в интервале 1–100 МэВ, α-частиц МэВ-ных энергий
• Спектрометр галактических космических лучей (ГАЛС/1) для измерений плотности потока протонов с энергией более 600 МэВ в трех энергетических интервалах (излучение регистрируется детектором Черенкова), а также для измерений суммарной плотности потоков протонов и электронов счетчиками Гейгера в четырех энергетических диапазонах
• Гамма-спектрометр (СГ/1) для измерения дифференциальных энергетических спектров жесткого рентгеновского и гамма излучения атмосферы Земли
• Бортовой ионозонд ЛАЭРТ предназначен для комплексного глобального зондирования ионосферы Земли с борта КА на частотах от 0,1 МГц до 20 МГц
• Бортовой комплекс управления и сбора научной информации (БКУСНИ) для сбора, хранения и передачи целевой информации приборов комплекса целевой аппаратуры (КЦА) в радиолинию РЛЦИ-И, а также для управления режимами работы блоков КЦА

КА «Ионосфера-М» будут функционировать в двух орбитальных плоскостях, по два в каждой плоскости. Каждая пара аппаратов в одной плоскости должна быть разведена на угол 180° ± 30°. Положение плоскости орбиты первой пары КА относительно прямого восхождения среднего Солнца ~ 135°, местное время восходящего узла орбиты ~ 21.00 час. Положение плоскости орбиты второй пары КА ~ 46°, местное время восходящего узла орбиты ~ 15.00 час. Изменение положения плоскостей орбит в течение срока активного существования — не более ±10°.

Космический аппарат «Зонд»

Космический аппарат «Зонд» предназначен для наблюдений Солнца.

• Телескоп-коронограф (СТЕК) для мониторинга короны Солнца на высотах от 1 до 10 солнечных радиусов в спектральных диапазонах вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) и видимой областей спектра с целью обнаружения и определения динамики развития корональных выбросов массы (КВМ)
• Солнечный изображающий спектральный телескоп (СОЛИСТ) для измерения потоков излучения и построения высокоточных изображений переходного слоя и короны Солнца в диапазоне высот от 0,05 до 1 солнечного радиуса
• Спектрофотометр рентгеновский (РЕСПЕКТ) для непрерывного мониторинга потока рентгеновского излучения короны Солнца
• Рентгеновский фотометр (СРФ) для измерения рентгеновского излучения Солнца на фоне заряженных частиц
• Спектрофотометр потока ультрафиолетового излучения Солнца (СУФ) для измерения плотности потока излучения Солнца в резонансной линии водорода HLα (121,6 нм)
• Спектрозональная система для УФ-, видимого и ИК-диапазонов с камерой (ЛЕТИЦИЯ) для измерения пространственного распределения интенсивности излучения линий 630 нм [OI], 427,8 нм [N2+] верхней атмосферы и ионосферы
• Сканирующий Озонометр-З для спектроскопических измерений интенсивности отраженного атмосферой Земли УФ излучения Солнца в полосе 300-400 нм
• Магнитометр (ФМ-Г) для измерения трех компонент магнитной индукции магнитного поля Земли с целью проведения оперативного глобального и непрерывного мониторинга пространственного и временного распределения магнитного поля в околоземном космическом пространстве
• Радиочастотный масс-спектрометр (РИМС-А) для автоматического анализа нейтрального и ионного состава верхних слоев атмосферы Земли и собственной атмосферы КА в двух диапазонах массовых чисел: (1 – 4) и (10 – 50) атомных единиц массы (а.е.м.)
• Гамма-спектрометр (СГ/2) для измерения дифференциальных энергетических спектров жесткого рентгеновского и гамма-излучения Солнца в диапазоне энергий (0,02–10,0) МэВ
• Низкочастотный волновой комплекс (НВК2) для измерения магнитных и электрических полей околоземного космического пространства в диапазоне частот от 0 до 20 кГц с целью определения состояния магнитосферно-ионосферной плазмы и выявления воздействий естественного и антропогенного происхождения
• Бортовой комплекс управления и сбора научной информации (БКУСНИ–З) для сбора, хранения и передачи целевой информации приборов КЦА в радиолинию РЛЦИ-И, а также для управления режимами работы блоков КЦА

КА «Зонд» должен функционировать на околокруговой солнечно-синхронной, околотерминаторной орбите. Изменение положения плоскости орбиты в течение срока активного существования — не более ±10°.