Исследование геофизических условий распространения кругосветных сигналов

- 2 -
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. МЕТОДИКА ПОСТАНОВКИ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОПИСАНИЕ
АППАРАТУРНОГО КОМПЛЕКСА..........................
1.1. Краткий обзор литературы и постановка задачи....3
1.2. Методические особенности постановки эксперимента и оценки параметров аппаратурного комплекса........................................... 20
1.3. Описание блок-схемы аппаратурного комплекса для исследования характеристик кругосветных сигналов..............................................2.6
1.4. Измерение угловых характеристик кругосветных сигналов...............................................31
1.5. Измерение амплитудных характеристик радиосигнала...................................................39
ГЛАВА 2. СУТОЧНЫЕ И СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КРУГОСВЕТНЫХ СИГНАЛОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРИМЕНТА......................................................
2.1. Общее описание полученного экспериментального материала............................................*<2.
2.2. Уточнение терминологии кругосветных сигналов....^7
2.3. Изменение характеристик кругосветных сигналов
в течение суток...................................5Ь
2.4. Статистические закономерности при приеме кругосветных сигналов..................................65
- 3 -
2.5. Сезонные изменения характеристик кругосветных сигналов.............................................
2.6. Обсуждение полученных экспериментальных результатов................................................80
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ СВОЙСТВ ИВК В
ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПАРАМЕТРОВ И0Н0СШ=Ы.................
3.1. Теоретические основы дальнего распространения
КВ радиосигналов.....................................29
3.2. Зависимость объема ИВК от параметров ионосферы...........................................83
3.3. Экспериментальные данные о влиянии £оР2 на
прием 1фугосветных сигналов.................................,03
3.4. О возможном объяснении суточной и сезонной закономерности при приеме кругосветных сигналов................................................... 108
3.5. О влиянии критических частот £0 Р2 вдоль трассы распространения на азимутальные характеристики кругосветных сигналов...................................."8
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГРАДИЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ
КОНЦЕНТРАЦИИ И ПОГЛОЩЕНИЯ НА ПРИЕМ КРУГОСВЕТНЫХ СИГНАЛОВ...........................................
4.1. Градиентный механизм ввода-вывода энергии
из ИВК.............................................129
4.2. Оценка изменений углового спектра лучей А , захваченных в ИВК.............................................
- 4 -
4.3. Экспериментальные данные о влиянии градиентов критических частот |0Р2 на прием кругосветных сигналов................................................ ^2.
4.4. Влияние поглощения радиоволн на прием кругосветных сигналов.........................................
4.5. Обсуждение результатов, полученных в Главе Зи4.. /61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ /68
ВВЕДЕНИЕ
- б -
Исследование вопросов распространения радиоволн КВ диапазона на дальние и сверхдальние расстояния стимулируется необходимостью решения ряда прикладных задач, таких как создание линий дальней связи, устранение помех, возникающих за счет кругосветного эхо, дальняя радиолокация, кругосветное зондирование ионосферы. В то же время интерес представляют и научные цели, заключающиеся в возможности изучения глобальных свойств околоземного пространства с помощью измерения характеристик кругосветных сигналов (КС), а также в изучении самого механизма распространения радиоволн КВ диапазона на большие расстояния. В настоящее время актуальность вопросов данной тематики увеличивается в связи с последними достижениями в области искусственного воздействия на ионосферу. С помощью мощного излучения (Р "100 кВт) в ионосфере могут искусственно создаваться условия, благоприятные для дальнего распространения радиоволн, а значит и организации дальних и сверхдальних линий связи.
Физика дальнего и сверхдальнего распространения радиоволн КВ диапазона основывается на ряде экспериментальных и теоретических работ. Она существенно отличается от физики распространения радиоволн на коротких трассах (менее 5000 км). По современным представлениям энергия радиоволн распространяется в волновых каналах, образованных сферически слоистым строением ионосферы. С энергетической точки зрения наиболее выгодны ионосферные волновые каналы (ИВК), которые расположены выше поглощающей области Я) ионосферы. Однако из-за своей оторванности от поверхности Земли, где расположены излучатель и приемник, возникает проблема ввода и вывода энергии из ИВК. В этом случае существенно усложняется физика дальнего распространения
- 6 -
радиоволн и требуется учет рефракции, рассеяния радиоволн на мелкомасштабной структуре ионосферы, дифракционных эффектов. Волноводные свойства ИВК зависят от объема канала, который определяется вертикальным профилем модифицированного показателя преломления (с учетом кривизны земной поверхности). Из-за непостоянства параметров ионосферы во времени и пространстве и больших протяженностей трасс дальнего распространения радиоволн, волноводные свойства ИВК значительно изменяются, обнаруживая в эксперименте регулярные и случайные вариации. В этих условиях для расчета дальнего распространения радиоволн необходимо иметь информацию о реальной ионосфере в планетарном масштабе, которую в настоящее время получить невозможно. Сеть ионосферных станций не охватывает всей поверхности земного шара.
Недостаток информации об ионосфере и многочисленность факторов, влияющих на дальнее распространение радиоволн, приводят к неоднозначности в интерпретации результатов экспериментов, а также к тому, что использование разработанных методов анализа условий дальнего распространения радиоволн (например, метод адиабатического инварианта) оказывается затруднительным.
Дальнейший прогресс в области исследования условий дальнего распространения радиоволн возможен на основе экспериментальных исследований, устанавливающих степень необходимости учета отдельных геофизических факторов при дальнем распространеии радиоволн, а также экспериментов, определяющих возможность получения информации о геофизических факторах из имеющихся ионосферных данных. При решении этих задач появляется возможность дальнейшего развития методик анализа условий дальнего распространения радиоволн и доведения их до уровня практического использования. Настоящая работа направлена на решение данных задач на основе экспериментальных исследований характеристик
- 7 -
кругосветных сигналов. Сложность проведения такого рода исследований заключается в необходимости создания комплекса аппаратуры, позволяющей с высокой точностью измерять угловые характеристики 1фугосветных, обратных и прямых сигналов, постановке целенаправленных экспериментов, выделяющих действие отдельных геофизических факторов на прием кругосветных сигналов и разработке методики анализа данных эксперимента.
В Главе I настоящей работы дано описание разработанного аппаратурного комплекса, приведены точностные характеристики, сделан краткий обзор литературы, на основе которого формулируется постановка задачи диссертации.
В Главе 2 представлено общее описание полученного экспериментального материала, дается оценка его качества, анализируется соответствие с ранее проведенными экспериментами и отмечаются отличительные особенности. Приведены результаты статистической обработки (усреднение за месяц) экспериментального материала.
В Главе 3 кратко рассмотрены основы дальнего распространения радиоволн КВ диапазона. На основе однослойной модели ионосферы проведен анализ влияния параметров ионосферы на объем как ионосферного волнового канала, так и приземного канала. Дано объяснение сезонно-суточной и азимутальной закономерностей при приеме кругосветных сигналов на основе изменений £0Г2, определяющих объем канала вдоль траектории распространения кругосветных сигналов.
В Главе 4 проведено исследования влияния продольного градиента показателя преломления в ионосфере на прием 1фугосвет-ных сигналов на основе однослойной модели ионосферы с изменяющимися в продольном направлении параметрами. Экспериментально показан эффект влияния градиентов показателя преломления на
- 8 -
прием кругосветных сигналов. Сделаны оценки сезонного изменения интегрального коэффициента поглощения радиоволн в ИВК.
- 9 -
ГЛАВА I. МЕТОДИКА ПОСТАНОВКИ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОПИСАНИЕ
АППАРАТУРНОГО КОМПЛЕКСА
1.1. Краткий обзор литературы и постановка задачи
Исследования условий распространения кругосветных сигналов (КС) начались в 20-х годах нашего столетия [1+4] , и ухе первые эксперименты показали ред особенностей, которые не могли быть объяснены на основе известного скачкового механизма распространения радиоволн. К настоящему времени проведено большое количество экспериментальных исследований, отличащихся местоположением точек излучения и приема временем проведения эксперимента относительно цикла солнечной активности, техническими особенностями. География экспериментальных исследований включает в себя как средние широты, где получен основной экспериментальный материал ^ 5—14 ^ , приэкваториальную область [12-15] , а так же трансавроральные направления [16-18] . Экспериментальные исследования охватывают по времени весь солнечный цикл. Они проводились при максимуме и минимуме солнечной активности, а так же при различных значениях чисел Вольфа [9-11,13,15,19,2о] . Эксперименты по исследованию кругосветных сигналов в основном были направлены на изучение амплитудно-частотных характеристик, вероятности приема КС, временных и угловых характеристик КС, а так же на изучение физики распространения коротких волн на дальние расстояния.
Проведенные экспериментальные исследования позволили установить ряд закономерностей при приеме КС. Частотный диапазон приема КС [8,11,17] заключен в интервале 10-40 МГц и верхний предел значительно превосходит максимально применимые частоты (МПЧ) для односкачковых трасс. Это указывает на то, что
- 10 -
физика дальнего распространения радиоволн существенно отличается от физики распространения радиоволн в пределах нескольких скачков. При уменьшении солнечной активности верхний предел частотного диапазона приема КС уменьшается. Оптимальными частотами КС являются 10*22 МГц.
При приеме КС наблюдается четко выраженная сезонно-суточная зависимость вероятности приема. Так, на средних широтах КС наблюдается зимой в основном с 9 до 19 часов местного времени, а летом - ночью с 20 до 4 часов [гб] . Вероятность приема КС наибольшая в зимний период (доходит до 100%, вероятность понимается как процент дней, в которые наблюдается КС по отношению ко всем дням наблюдений в месяц), летом вероятность меньше (~80%), и она имеет минимум в период равноденствия.
На рис. 1.1 показана вероятность приема КС в зависимости от времени суток для летнего (цифра I) и зимнего (цифра 2) периодов [2з] . В то же время при приеме КС в Антарктике [19,20] (меридиональные трассы) наибольшая вероятность приема приходится на период равноденствия в вечернее и утреннее время.
Это указывают на зависимость условий приема КС от ориентации трассы и величины разнесения точек излучения и приема.
Одним из важных факторов является поглощение радиоволн в ионосфере. Экспериментальные исследования показывают [ 5+8 ] , что при кругосветном распространении сигналов поглощение составляет от 3 до 30 дБ (при среднем значении 20 дБ) по отношению к уровню непоглощенного поля. Ослабление кругосветных сигналов часто бывает меньше, чем ослабление сигналов на более короткой трассе и имеет частотную зависимость.
Углы прихода в вертикальной плоскости по результатам работ [16 ] находятся в пределах 0*10° для частот 15*20 МГц, однако могут достигать и больших значении.
- II -
Рис. 4.4
12
Распространение КС происходит в основном по дуге большого круга, проходящей через точку приема и передачи, выход из плоскости дуги большого крута не превышает 3° [9] .
Время огибания земного вара сигналами КС относительно стабильно и в экспериментах изменяется от 136,05 до 139,3 мс £ 9,ю] , что соответствует распространению КС на высоте 200 км над поверхностью Земли (в среднем), с соответствующими пределами 2474-281 км. В экспериментах [9,10,15] показано наличие зависимости азимута кругосветных сигналов от времени суток.
Слабое затухание кругосветных сигналов, превышение верхней границы частотного диапазона КС реальной МПЧ трассы, относительная стабильность времени распространения КС указывают на отличие механизма распространения кругосветных сигналов от скачкового. В связи с этим внимание исследователей в основном обращалось на разработку терии распространения радиоволн в ионосферных волновых каналах (ИВК) [21*27] , а также на исследование механизмов эапитки ИВК [ 28+Зз] . Вопросы же роли приземного канала, в котором энергия распространяется скачковым способом, оказались исследованы очень слабо. Более того, в работе [34] сделан вывод о том, что энергия КС, переносимая Скачковыми модами, не определяет полную энергию принимаемого сигнала, а составляет лишь ее незначительную часть. Кроме того, оказываются неясными критерии, которыми нужно руководствоваться при экспериментальном определении механизма распространения КС. Сделанное в [21, стр.и] предположение о возможности проверки гипотезы скачкового распространения КС с помощью измерения угла прихода волны в вертикальной плоскости не может являться критерием, т.к. угол места отражает условия распространения в конечной точке, оставляя неясными условия распространения вдоль всей трассы кругосветных сигналов.
- 13 -
Сезонно-суточная и азимутальная закономерности при приеме кругосветных сигналов в определенной степени объясняются критерием оптимальности [l0,23,24] . Он заключается в требовании минимума угла об min между линией терминатора и прекцией траектории КС на поверхность Земли. Данный критерий является геометрическим, поскольку не связан с какими-либо параметрами ионосферы. В работах ^10,23,24] он обосновывается изменением интегрального поглощения вдоль траектории КС. Однако, если азимутальная зависимость интегрального коэффициента поглощеиия показана в работе £24] , то сезонно-суточная зависимость времени приема КС объяснена лишь на основе изменения оСт\п [23 J , что явно недостаточно. Так, на рис. 1.2 показаны оптимальные азимуты КС (А) и минимальные углы между линией терминатора и траекторией КС (т-,п) рис. 1.3 hs[23J . Сплошная линия для зимнего периода, штрих-пунктир - для равноденствия и пунктир для летнего периода. Согласно рисунку в дневное время зимой cimin не превшает 10+20? и в это время принимаются сигналы КС (точки). В летнее время КС принимаются в ночное время, когда otmI[] также 10+20°.
В работе [34] проведена проверка оптимального азимута, основанного на двух предположениях: на предположении о существовании в ионосфере оптимального кольцевого канала и на предположении о существовании симметрии распределения электронной концентрации относительно подсолнечной точки. Получено соответствие с экспериментом /«30+40°. Следовательно, основой критерия оптимальности, связанного с линией терминатора, по-видимому являются несколько геофизических факторов, которые в различных условиях могут или усиливать или ослаблять друг друга. Выявление данных физических факторов позволит использовать данный критерий в широком круге геофизических условий.
- 14 -
he./.2
- 15 -
В настоящее время теория дальнего распространения радиоволн развивается в нескольких направлениях: численные расчеты по методу характеристик , метод адиабатического инварианта [24] , экстремально-параметрический метод [23] , метод параболического уравнения [27] , решение волнового уравнения в аналитическом виде ^Зб] , метод нормальных волн [37] . Следует отметить, что в связи со сложностью описания процесса распространения радиоволн на дальние расстояния, как правило, используются различные упрощающие предположения. Учитывая приближенный характер решения при использовании указанных методов, а также недостаточную информацию о распределении электронной концентрации в околоземном пространстве, появляется необходимость в их тщательной экспериментальной проверке.
С точки зрения практического использования наиболее разработаны методы адиабатического инварианта, экстремально-параметрический и характеристик.
Экстремально-параметрический метод основан на решении нескольких простых дифференциальных уравнений, полученных из геометрических построений траекторий волн в канале. Ионосфера описывается простыми выражениями, причем экстремальные точки привязываются к прогнозируемым ионосферным данным. Этот метод наиболее прост для практического использования. Он позволяет получить ряд характеристик дальнего распространения радиоволн. Однако оценка амплитудных характеристик сигнала затруднена, а также требует экспериментальной проверки, положенная в основу ЭПЫ двухслойная модель ионосферы.
Метод характеристик основан на решении уравнений Эйконала и переноса. Сложность модели ионосферы требует для решения этих уравнений ЭВМ. Машинная реализация метода характеристик получила всеобщее признание для расчетов параметров сигнала на